«Материальные» ценности
ТЕХНОЛОГИИ / #8_2019
Автор: Ирина Сухарева
Фото: Unsplash.com, Releases.jhu.edu
В октябре во ВНИИНМе им. академика А. А. Бочвара прошла научно-техническая конференция «Материалы ядерной техники». «Атомный эксперт» публикует выдержки и тезисы из самых интересных выступлений.
Топливо для каждого
Вице-президент по научно-технической деятельности АО «ТВЭЛ» Александр Угрюмов рассказал о перспективных разработках в области конструкционных материалов для разных типов реакторов.
— Важные направления для повышения безопасности эксплуатации АЭС — это выбор специальных реакторных материалов и развитие технологий изготовления комплектующих.
Традиционные циркониевые сплавы (Э110, Э125 и Э635), используемые в производстве комплектующих ТВС ВВЭР‑1000, имеют различные модификации. Так, для оболочек твэлов, помимо штатного сплава Э110, используются сплавы Э110опт и Э110М. Оболочки из этих сплавов имеют лучший комплекс физико-механических и коррозионных свойств, обеспечивающий целостность конструкции при продлении топливной кампании ТВС.
АО «ТВЭЛ» продолжает совершенствовать сплавы на основе циркония. Проводятся работы, направленные на изучение реакторных и внереакторных свойств оболочек и труб из сплавов Э110М, Э110опт, Э635. Так, исследуются теплофизические и коррозионные свойства Э110М (в частности, разрабатывается обоснование работоспособности оболочек твэлов в условиях аварии типа LOCA); изменение ползучести труб из Э110опт под действием внутренних напряжений и облучения.
Кроме того, мы изучаем реакторные свойства оболочек твэлов из сплава Э110М в водно-химическом режиме реакторов типа ВВЭР и PWR, причем первые эксперименты показали лучшие свойства сплава Э110М в плане сопротивления радиационному росту и коррозии. Проводится сравнительный анализ реакторного поведения оболочек твэлов из различных модификаций циркониевых сплавов (Э125, Э110, Э110М, Э635М, Э635) в водно-химическом режиме реакторов типа PWR.
Однако наиболее актуальная задача — это получение динамических и усталостных характеристик, необходимых для верификации моделей поведения сплава в реакторных условиях. Эти характеристики используются при обосновании безопасности эксплуатации ТВС в ВВЭР‑1000 при различных условиях и режимах работы реактора.
Продолжаются разработки и испытания толерантного топлива, которое должно быть работоспособно как в нормальном режиме эксплуатации, так и в условиях потери теплоносителя. Работы по толерантному топливу ведутся в нескольких направлениях: применение защитных покрытий для циркониевых сплавов, применение новых конструкционных материалов и совершенствование топливных композиций.
Ведутся активные разработки по уран-эрбиевому топливу. Проведенные исследования показали, что при использовании топлива с обогащением выше 5% (до 7%) применение эрбия, гомогенно размещенного во всех твэлах ТВС, позволяет получить ряд преимуществ над современным гадолиниевым поглотителем. Технология изготовления уран-эрбиевого топлива с содержанием эрбия до 0,6% была отработана для реакторов типа РБМК. Однако для создания технического проекта твэлов с уран-эрбиевым топливом повышенного обогащения необходимо провести реакторные испытания.
Еще одно направление нашей работы — уран-плутониевое топливо. Чтобы получить референтный опыт и отработать технологию изготовления этого топлива, мы создали программу НИОКР «Сбалансированный ЯТЦ». Она позволит получить все необходимые исходные данные для создания крупномасштабного промышленного производства уран-плутониевого топлива, которое можно будет использовать на зарубежных АЭС с реакторами ВВЭР.
Вице-президент по научно-технической деятельности АО «ТВЭЛ» Александр Угрюмов рассказал о перспективных разработках в области конструкционных материалов для разных типов реакторов.
— Важные направления для повышения безопасности эксплуатации АЭС — это выбор специальных реакторных материалов и развитие технологий изготовления комплектующих.
Традиционные циркониевые сплавы (Э110, Э125 и Э635), используемые в производстве комплектующих ТВС ВВЭР‑1000, имеют различные модификации. Так, для оболочек твэлов, помимо штатного сплава Э110, используются сплавы Э110опт и Э110М. Оболочки из этих сплавов имеют лучший комплекс физико-механических и коррозионных свойств, обеспечивающий целостность конструкции при продлении топливной кампании ТВС.
АО «ТВЭЛ» продолжает совершенствовать сплавы на основе циркония. Проводятся работы, направленные на изучение реакторных и внереакторных свойств оболочек и труб из сплавов Э110М, Э110опт, Э635. Так, исследуются теплофизические и коррозионные свойства Э110М (в частности, разрабатывается обоснование работоспособности оболочек твэлов в условиях аварии типа LOCA); изменение ползучести труб из Э110опт под действием внутренних напряжений и облучения.
Кроме того, мы изучаем реакторные свойства оболочек твэлов из сплава Э110М в водно-химическом режиме реакторов типа ВВЭР и PWR, причем первые эксперименты показали лучшие свойства сплава Э110М в плане сопротивления радиационному росту и коррозии. Проводится сравнительный анализ реакторного поведения оболочек твэлов из различных модификаций циркониевых сплавов (Э125, Э110, Э110М, Э635М, Э635) в водно-химическом режиме реакторов типа PWR.
Однако наиболее актуальная задача — это получение динамических и усталостных характеристик, необходимых для верификации моделей поведения сплава в реакторных условиях. Эти характеристики используются при обосновании безопасности эксплуатации ТВС в ВВЭР‑1000 при различных условиях и режимах работы реактора.
Продолжаются разработки и испытания толерантного топлива, которое должно быть работоспособно как в нормальном режиме эксплуатации, так и в условиях потери теплоносителя. Работы по толерантному топливу ведутся в нескольких направлениях: применение защитных покрытий для циркониевых сплавов, применение новых конструкционных материалов и совершенствование топливных композиций.
Ведутся активные разработки по уран-эрбиевому топливу. Проведенные исследования показали, что при использовании топлива с обогащением выше 5% (до 7%) применение эрбия, гомогенно размещенного во всех твэлах ТВС, позволяет получить ряд преимуществ над современным гадолиниевым поглотителем. Технология изготовления уран-эрбиевого топлива с содержанием эрбия до 0,6% была отработана для реакторов типа РБМК. Однако для создания технического проекта твэлов с уран-эрбиевым топливом повышенного обогащения необходимо провести реакторные испытания.
Еще одно направление нашей работы — уран-плутониевое топливо. Чтобы получить референтный опыт и отработать технологию изготовления этого топлива, мы создали программу НИОКР «Сбалансированный ЯТЦ». Она позволит получить все необходимые исходные данные для создания крупномасштабного промышленного производства уран-плутониевого топлива, которое можно будет использовать на зарубежных АЭС с реакторами ВВЭР.
С начала времен — до XXI века
Генеральный директор ООО «Русатом — Аддитивные технологии» Алексей Дуб сделал обзор развития аддитивных технологий в общемировом и отраслевом контекстах.
— Процесс возникновения и развития человеческой цивилизации делится на этапы, связанные с освоением и использованием различных материалов, прежде всего металлов и их сплавов. В самом начале истории человечества их доля составляла всего 5%, все остальное создавалось из доступных и относительно дешевых природных композитов — дерева и камня. «Золотой век» для металлов наступил в 1950—1960-х годах, когда из них стали изготавливать до 85% всех изделий.
В последние десятилетия тенденции в использовании материалов вновь меняются: мы переходим на природноподобные материалы. У нас для создания подобных материалов нет такого количества времени, какое было у природы, зато стало больше знаний. Сегодня главный императив развития материаловедения — переход от свойств материалов к свойствам изделий. Если изучение свойств материалов — задача науки, то совершенствование свойств изделий — задача для бизнеса: продаются именно изделия. Связь между этими двумя категориями определяет современный подход к технологии развития материалов.
Сегодня мы можем исследовать материалы и понимать их свойства на субатомном уровне. Это означает, что вопросы неравномерности структур приобретают все большее значение. Кроме того, серьезную роль играет возможность использования суперкомпьютеров и современных методов моделирования, позволяющих уменьшить количество кандидатных материалов и рассчитать необходимое число комбинаций.
Очень важна задача создания цифровых двойников технических процессов, поскольку это дает возможность контролировать большее количество параметров для получения объективной информации.
Таким образом, необходимы новые методологии для того, чтобы производить материалы совершенно иных композиций и свойств.
Использование композитов означает отказ от резкой границы между неорганическими и органическими веществами — они объединяются в одном изделии. Уменьшение параметров упрочняющей фазы до наноразмеров позволяет увеличить либо температуру работы материала до 50 °C при сохранении ресурса, либо ресурс в 100 раз при традиционных температурах. Рассмотрение еще более высоких разрешений позволило обнаружить выделение радиационно-индуцированных частиц размером менее 10 нанометров в ферритно-мартенситных сталях, что приводит к повышению прочности и охрупчиванию — эффект, ранее не учитываемый. А это очень важный фактор для материалов и температур, при которых работают и жидкосолевые реакторы, и ВВЭР на суперсверхкритике.
Мы систематизировали задачи, стоящие перед отраслью, и собрали их в Едином отраслевом тематическом плане НИОКР, который сегодня рассмотрен и принят отраслевыми участниками.
Основные задачи, которые решаются в разделе, посвященном материалам, — это прежде всего обоснование ресурса. Не забыты и сварочные материалы. При этом мы осуществляем разработку критериев прочности и, соответственно, механизмов деградации материалов с учетом новых факторов.
В ходе обсуждения ЕОТП возникли кооперации по каждому из направлений. От отрасли в них входят материаловеды, главные конструкторы и технологи. В кооперациях принимают участие также представители РАН и вузов. Активность вокруг направления новых материалов ЕОТП можно рассматривать как прообраз центра компетенций, который имеет не только отраслевое, но и общенациональное значение.
Главное, чего мы ожидаем в результате работ, — ускорение общего цикла подбора и обоснования материалов до уровня нормативной документации. Это обоснование перспективных реакторных технологий, численные методы верификации и сертификации, многократное ускорение рабочих процессов.
Здесь несколько ключевых факторов. Во-первых, это база данных — основа верификации. Во-вторых, методики моделирования и ускоренных испытаний, позволяющие просчитать и осмыслить технологический процесс до физического эксперимента. Кроме того, важна нормативная база, которая должна стать основой применения всех этих материалов на практике.
Генеральный директор ООО «Русатом — Аддитивные технологии» Алексей Дуб сделал обзор развития аддитивных технологий в общемировом и отраслевом контекстах.
— Процесс возникновения и развития человеческой цивилизации делится на этапы, связанные с освоением и использованием различных материалов, прежде всего металлов и их сплавов. В самом начале истории человечества их доля составляла всего 5%, все остальное создавалось из доступных и относительно дешевых природных композитов — дерева и камня. «Золотой век» для металлов наступил в 1950—1960-х годах, когда из них стали изготавливать до 85% всех изделий.
В последние десятилетия тенденции в использовании материалов вновь меняются: мы переходим на природноподобные материалы. У нас для создания подобных материалов нет такого количества времени, какое было у природы, зато стало больше знаний. Сегодня главный императив развития материаловедения — переход от свойств материалов к свойствам изделий. Если изучение свойств материалов — задача науки, то совершенствование свойств изделий — задача для бизнеса: продаются именно изделия. Связь между этими двумя категориями определяет современный подход к технологии развития материалов.
Сегодня мы можем исследовать материалы и понимать их свойства на субатомном уровне. Это означает, что вопросы неравномерности структур приобретают все большее значение. Кроме того, серьезную роль играет возможность использования суперкомпьютеров и современных методов моделирования, позволяющих уменьшить количество кандидатных материалов и рассчитать необходимое число комбинаций.
Очень важна задача создания цифровых двойников технических процессов, поскольку это дает возможность контролировать большее количество параметров для получения объективной информации.
Таким образом, необходимы новые методологии для того, чтобы производить материалы совершенно иных композиций и свойств.
Использование композитов означает отказ от резкой границы между неорганическими и органическими веществами — они объединяются в одном изделии. Уменьшение параметров упрочняющей фазы до наноразмеров позволяет увеличить либо температуру работы материала до 50 °C при сохранении ресурса, либо ресурс в 100 раз при традиционных температурах. Рассмотрение еще более высоких разрешений позволило обнаружить выделение радиационно-индуцированных частиц размером менее 10 нанометров в ферритно-мартенситных сталях, что приводит к повышению прочности и охрупчиванию — эффект, ранее не учитываемый. А это очень важный фактор для материалов и температур, при которых работают и жидкосолевые реакторы, и ВВЭР на суперсверхкритике.
Мы систематизировали задачи, стоящие перед отраслью, и собрали их в Едином отраслевом тематическом плане НИОКР, который сегодня рассмотрен и принят отраслевыми участниками.
Основные задачи, которые решаются в разделе, посвященном материалам, — это прежде всего обоснование ресурса. Не забыты и сварочные материалы. При этом мы осуществляем разработку критериев прочности и, соответственно, механизмов деградации материалов с учетом новых факторов.
В ходе обсуждения ЕОТП возникли кооперации по каждому из направлений. От отрасли в них входят материаловеды, главные конструкторы и технологи. В кооперациях принимают участие также представители РАН и вузов. Активность вокруг направления новых материалов ЕОТП можно рассматривать как прообраз центра компетенций, который имеет не только отраслевое, но и общенациональное значение.
Главное, чего мы ожидаем в результате работ, — ускорение общего цикла подбора и обоснования материалов до уровня нормативной документации. Это обоснование перспективных реакторных технологий, численные методы верификации и сертификации, многократное ускорение рабочих процессов.
Здесь несколько ключевых факторов. Во-первых, это база данных — основа верификации. Во-вторых, методики моделирования и ускоренных испытаний, позволяющие просчитать и осмыслить технологический процесс до физического эксперимента. Кроме того, важна нормативная база, которая должна стать основой применения всех этих материалов на практике.
Топливо для ВВЭР
Главный конструктор ОКБ «Гидропресс» Сергей Кушманов рассказал о том, какие работы ведутся по совершенствованию топлива для самых востребованных реакторов в портфеле Росатома — ВВЭР.
— Сегодня в мире действует 40 энергоблоков с реакторами ВВЭР‑1000 и ВВЭР‑1200, еще 30 энергоблоков находятся на различных стадиях проектирования, лицензирования, строительства, монтажа, ввода в эксплуатацию. Если подсчитать общее количество блоков ВВЭР (вместе с ВВЭР‑440) с учетом реализации всех намеченных Росатомом планов, то оно превысит 90 энергоблоков. Это свидетельствует о том, что перед изготовителями топлива такого типа стоит серьезная задача: все эти энергоблоки надо обеспечить конкурентоспособным, надежным топливом.
Эксплуатирующие организации данных реакторов требуют проведения НИОКР по улучшению технических и экономических характеристик топлива. Некоторое время назад создавалось впечатление, что прогресс топлива для ВВЭР‑440 уже окончен, однако сегодня сразу три заказчика заказали АО «ТВЭЛ» новые проекты топлива, а один — новые топливные циклы.
ОКБ «Гидропресс» разработало для ВВЭР‑440 топливо трех поколений, имеющее различные конструктивные исполнения и эксплуатационные характеристики. Все эти виды топлива уже работают на действующих энергоблоках. В разработке находятся еще два поколения этого топлива с оптимизированным водо-урановым отношением, с диаметром твэла 8,9 мм. Такое топливо отличается от топлива предыдущего поколения уменьшением загрузки в активную зону, что позволяет улучшить экономические показатели топливоиспользования и сократить количество ежегодно загружаемых свежих кассет.
Также планируется разработка бесчехловой рабочей кассеты РК‑3+. Завершаются дореакторные и стендовые испытания данной конструкции, и к 2021 году такие кассеты будут поставлены на опытную эксплуатацию.
Для ВВЭР большой мощности (ВВЭР‑1000, ВВЭР‑1200 и ВВЭР‑1300) на базе конструкции тепловыделяющей сборки типа ТВС‑2М, которая успешно эксплуатируется с 2006 года, разработаны ТВС с высокой степенью унификации.
На сегодняшний день 15 энергоблоков работают с данным типом ТВС, и каждый год их количество растет.
Дальнейшее развитие конструкций ТВС‑2М видится в повышении их ураноемкости, в увеличении количества топлива, в повышении обогащения урана до 5% и более.
По толерантному топливу подготовлен комплект документов для лицензирования. Уже в начале следующего года будет изготовлена и поставлена на эксплуатацию ТВС с опытными твэлами из толерантных материалов. Курчатовский институт организовал эксплуатацию ТВС‑2М в щадящих условиях — на периферии активной зоны, с небольшими мощностями и выгораниями, позволяющими облегчить лицензирование.
Сегодня популярна тема регулирования мощности реакторных установок типа ВВЭР. Мы считаем необходимым провести обоснование и обеспечение надежного мониторинга работоспособного и безопасного состояния активной зоны ВВЭР в режимах со значительным количеством изменений нагрузки. Нужно учесть все факторы, влияющие на твэлы, и дать прогноз, насколько эти элементы в дальнейшем будут работоспособны.
ОКБ «Гидропресс» вместе с Курчатовским институтом и московским «Атомэнергопроектом» разрабатывают новый тип реакторной установки — со спектральным регулированием. Производится конструкция тепловыделяющей сборки, имеющей 13 больших каналов. Основная задача разработки — анализ экономических перспектив проекта.
Главный конструктор ОКБ «Гидропресс» Сергей Кушманов рассказал о том, какие работы ведутся по совершенствованию топлива для самых востребованных реакторов в портфеле Росатома — ВВЭР.
— Сегодня в мире действует 40 энергоблоков с реакторами ВВЭР‑1000 и ВВЭР‑1200, еще 30 энергоблоков находятся на различных стадиях проектирования, лицензирования, строительства, монтажа, ввода в эксплуатацию. Если подсчитать общее количество блоков ВВЭР (вместе с ВВЭР‑440) с учетом реализации всех намеченных Росатомом планов, то оно превысит 90 энергоблоков. Это свидетельствует о том, что перед изготовителями топлива такого типа стоит серьезная задача: все эти энергоблоки надо обеспечить конкурентоспособным, надежным топливом.
Эксплуатирующие организации данных реакторов требуют проведения НИОКР по улучшению технических и экономических характеристик топлива. Некоторое время назад создавалось впечатление, что прогресс топлива для ВВЭР‑440 уже окончен, однако сегодня сразу три заказчика заказали АО «ТВЭЛ» новые проекты топлива, а один — новые топливные циклы.
ОКБ «Гидропресс» разработало для ВВЭР‑440 топливо трех поколений, имеющее различные конструктивные исполнения и эксплуатационные характеристики. Все эти виды топлива уже работают на действующих энергоблоках. В разработке находятся еще два поколения этого топлива с оптимизированным водо-урановым отношением, с диаметром твэла 8,9 мм. Такое топливо отличается от топлива предыдущего поколения уменьшением загрузки в активную зону, что позволяет улучшить экономические показатели топливоиспользования и сократить количество ежегодно загружаемых свежих кассет.
Также планируется разработка бесчехловой рабочей кассеты РК‑3+. Завершаются дореакторные и стендовые испытания данной конструкции, и к 2021 году такие кассеты будут поставлены на опытную эксплуатацию.
Для ВВЭР большой мощности (ВВЭР‑1000, ВВЭР‑1200 и ВВЭР‑1300) на базе конструкции тепловыделяющей сборки типа ТВС‑2М, которая успешно эксплуатируется с 2006 года, разработаны ТВС с высокой степенью унификации.
На сегодняшний день 15 энергоблоков работают с данным типом ТВС, и каждый год их количество растет.
Дальнейшее развитие конструкций ТВС‑2М видится в повышении их ураноемкости, в увеличении количества топлива, в повышении обогащения урана до 5% и более.
По толерантному топливу подготовлен комплект документов для лицензирования. Уже в начале следующего года будет изготовлена и поставлена на эксплуатацию ТВС с опытными твэлами из толерантных материалов. Курчатовский институт организовал эксплуатацию ТВС‑2М в щадящих условиях — на периферии активной зоны, с небольшими мощностями и выгораниями, позволяющими облегчить лицензирование.
Сегодня популярна тема регулирования мощности реакторных установок типа ВВЭР. Мы считаем необходимым провести обоснование и обеспечение надежного мониторинга работоспособного и безопасного состояния активной зоны ВВЭР в режимах со значительным количеством изменений нагрузки. Нужно учесть все факторы, влияющие на твэлы, и дать прогноз, насколько эти элементы в дальнейшем будут работоспособны.
ОКБ «Гидропресс» вместе с Курчатовским институтом и московским «Атомэнергопроектом» разрабатывают новый тип реакторной установки — со спектральным регулированием. Производится конструкция тепловыделяющей сборки, имеющей 13 больших каналов. Основная задача разработки — анализ экономических перспектив проекта.
Эволюция и революция быстрых реакторов
Член технического комитета проектного направления «Прорыв», заместитель генерального директора АО «ВНИИНМ» Михаил Скупов кратко охарактеризовал перспективные технологии для материалов быстрых реакторов.
— В области разработки материалов активных зон быстрых реакторов четко сформировались два направления работ: эволюционное, в рамках которого поэтапно улучшаются эксплуатационные характеристики материалов и элементов, и проектное направление «Прорыв», имеющее целью разработку и демонстрацию комплексной технологии замкнутого топливного цикла на основе новых материалов и процессов.
Развитие материалов и технологий тесно связано с осуществленным для БН‑600 и осуществляемым для БН‑800 переходом на аустенитную сталь оболочки твэлов ЭК164, который поможет увеличить ресурс сборок в ближайшем будущем на одну, а затем и на две микрокампании.
В направлении МОХ‑топлива все зависит от перехода на полную загрузку реактора БН‑800. Естественно, основное направление здесь — создание производства и его выход на проектную мощность. Изготовлено уже достаточное количество сборок, более 90 сданы, то есть процесс запущен; от его развития будут зависеть все работы по топливу.
К прорывным материалам уже традиционно относятся ДУО‑стали, включая новые модификации с повышенным содержанием алюминия, стойкие в свинце. Однако сейчас разработчики отталкиваются от аттестованной ферритно-мартенситной стали ЭП823 для свинцового теплоносителя и ЭК181/ЧС139 — для натриевого.
По мере прогресса в обосновании твэлов для перспективных активных зон все большее значение приобретают коррозионные исследования и испытания. Коррозионные процессы становятся главным объектом исследований разработчиков и критики экспертов «Ростехнадзора». Так, испытания твэлов со СНУП‑топливом показали подверженность аустенитных материалов межкристаллитной коррозии в высокотемпературных зонах под воздействием углерода из топлива и явную зависимость глубины коррозии в ферритно-мартенситной оболочке от содержания примеси кислорода в топливе. Главной проблемой обоснования твэлов БРЕСТ остается отсутствие экспериментальных установок, позволяющих исследовать общую коррозию твэлов в свинцовом теплоносителе под облучением.
Комплексная программа расчетно-экспериментального обоснования твэлов со СНУП‑топливом, разработанная в 2013 году, близится к завершению. Вот ее результаты: было испытано более 1000 твэлов; в составе ЭТВС‑11 реактора БН‑600 прототипные твэлы реакторной установки БРЕСТ-ОД‑300 отработали ресурс, предусмотренный для первых загрузок стартовой активной зоны. Испытания ЭТВС‑11,13,15,17,18 продолжаются. В одном твэле ЭТВС‑16 на начальной фазе испытаний обнаружена газовая неплотность; в следующем году эту сборку исследуют для уточнения причин.
При разработке ПЭЛов для БРЕСТ-ОД‑300 в качестве материалов поглотителей приняты карбид бора и титанат диспрозия. Дополнительные исследования в обоснование работоспособности этих ПЭЛ готовятся в БОР‑60.
Повышение экономических характеристик твэлов с нитридным топливом осуществляется в рамках специальной программы, нацеленной на достижение глубины выгорания в твэлах 12%. Для этого исследуются новые модификации топлива и готовятся к испытаниям новые материалы, включая ванадиевые сплавы, испытываются твэлы с усовершенствованным жидкометаллическим подслоем.
Член технического комитета проектного направления «Прорыв», заместитель генерального директора АО «ВНИИНМ» Михаил Скупов кратко охарактеризовал перспективные технологии для материалов быстрых реакторов.
— В области разработки материалов активных зон быстрых реакторов четко сформировались два направления работ: эволюционное, в рамках которого поэтапно улучшаются эксплуатационные характеристики материалов и элементов, и проектное направление «Прорыв», имеющее целью разработку и демонстрацию комплексной технологии замкнутого топливного цикла на основе новых материалов и процессов.
Развитие материалов и технологий тесно связано с осуществленным для БН‑600 и осуществляемым для БН‑800 переходом на аустенитную сталь оболочки твэлов ЭК164, который поможет увеличить ресурс сборок в ближайшем будущем на одну, а затем и на две микрокампании.
В направлении МОХ‑топлива все зависит от перехода на полную загрузку реактора БН‑800. Естественно, основное направление здесь — создание производства и его выход на проектную мощность. Изготовлено уже достаточное количество сборок, более 90 сданы, то есть процесс запущен; от его развития будут зависеть все работы по топливу.
К прорывным материалам уже традиционно относятся ДУО‑стали, включая новые модификации с повышенным содержанием алюминия, стойкие в свинце. Однако сейчас разработчики отталкиваются от аттестованной ферритно-мартенситной стали ЭП823 для свинцового теплоносителя и ЭК181/ЧС139 — для натриевого.
По мере прогресса в обосновании твэлов для перспективных активных зон все большее значение приобретают коррозионные исследования и испытания. Коррозионные процессы становятся главным объектом исследований разработчиков и критики экспертов «Ростехнадзора». Так, испытания твэлов со СНУП‑топливом показали подверженность аустенитных материалов межкристаллитной коррозии в высокотемпературных зонах под воздействием углерода из топлива и явную зависимость глубины коррозии в ферритно-мартенситной оболочке от содержания примеси кислорода в топливе. Главной проблемой обоснования твэлов БРЕСТ остается отсутствие экспериментальных установок, позволяющих исследовать общую коррозию твэлов в свинцовом теплоносителе под облучением.
Комплексная программа расчетно-экспериментального обоснования твэлов со СНУП‑топливом, разработанная в 2013 году, близится к завершению. Вот ее результаты: было испытано более 1000 твэлов; в составе ЭТВС‑11 реактора БН‑600 прототипные твэлы реакторной установки БРЕСТ-ОД‑300 отработали ресурс, предусмотренный для первых загрузок стартовой активной зоны. Испытания ЭТВС‑11,13,15,17,18 продолжаются. В одном твэле ЭТВС‑16 на начальной фазе испытаний обнаружена газовая неплотность; в следующем году эту сборку исследуют для уточнения причин.
При разработке ПЭЛов для БРЕСТ-ОД‑300 в качестве материалов поглотителей приняты карбид бора и титанат диспрозия. Дополнительные исследования в обоснование работоспособности этих ПЭЛ готовятся в БОР‑60.
Повышение экономических характеристик твэлов с нитридным топливом осуществляется в рамках специальной программы, нацеленной на достижение глубины выгорания в твэлах 12%. Для этого исследуются новые модификации топлива и готовятся к испытаниям новые материалы, включая ванадиевые сплавы, испытываются твэлы с усовершенствованным жидкометаллическим подслоем.
Топливные элементы, генерирующие электричество из водорода, обещают стать перспективным источником энергии, но пока они слишком дороги и неэффективны. Американские исследователи намерены усовершенствовать технологию за счет новых материалов.
Без водорода — никуда
Главный технолог проектного офиса «Росэнергоатома» «Новая платформа» Сергей Алексеев объяснил, почему в ближайшем будущем водород может стать одной из значимых составляющих мирового энергобаланса и чтó Росатому нужно сделать для развития водородного направления уже сегодня.
— Водородная тематика пристально рассматривается на крупнейших мировых форумах, включая саммит G20 и министерские совещания по водородной энергетике в Токио. Фактически дан старт глобальной водородной инициативе, которая способна произвести мощный синергетический эффект при переходе к новому энергетическому укладу. По прогнозам, к 2050 году водород обеспечит замещение около 20% всей потребляемой энергии. Это позволит сократить выбросы СО2 и обеспечить вклад на уровне 20% в Парижское соглашение по климату. Международный совет по водороду реализует масштабную дорожную карту перехода к водородной энергетике: потребление водорода к 2050 году оценивается в 550 млн тонн в год (при потреблении в 2018 году 75 млн тонн).
Водородная энергетика отнесена к приоритетам научно-технического развития Росатома. Направление включено в комплексную программу «Атомная наука, техника и технологии», некоторые мероприятия вошли в Единый отраслевой тематический план и уже реализуются. Сформирована отраслевая тематическая группа по коммерциализации технологий водородной энергетики.
Дан старт пилотным проектам. Например, железнодорожное сообщение с островом Сахалин с применением «водородных» поездов, совместный проект с Японией по производству водорода на площадках российских АЭС.
Принципиальные ключевые задачи водородной энергетики: крупномасштабное, экологически чистое производство и развитие инфраструктуры для водородных технологий.
В странах с развитой экономикой более 80% водорода получают из природного газа и нефтепродуктов. Крупнотоннажное производство водорода осуществляется в основном путем конверсии природного газа — метана (ПКМ). Целевой показатель себестоимости водорода оценивается в $ 2−4 за 1 кг водорода.
Основные недостатки современных установок ПКМ — сжигание около половины исходного газа для получения технологического тепла и выброс в атмосферу продуктов сгорания. Для экономии природного газа и исключения выбросов продуктов сжигания в окружающую среду предлагается технология ПКМ с подводом тепла от высокотемпературного газоохлаждаемого реактора (ВТГР).
Создание тандема ВТГР и ПКМ в составе атомной энерготехнологической станции (АЭТС) открывает путь крупномасштабному, экологически чистому производству водорода. В этом направлении рассматриваются несколько этапов:
- Сегодня — проектные проработки создания АЭТС и инфраструктуры водородной энергетики.
- До 2024 года — разработка НИОКР, проектной документации на головной блок АЭТС, разработка и испытания ключевых модулей ядерного острова, ПКМ, хранения и транспортировки водорода, утилизации диоксида углерода.
- До 2030 года — сооружение опытно-промышленной АЭТС.
Производство водорода на АЭТС с ВТГР рассматривается с перспективой повышения температуры гелия до 950 °C. На первом этапе приняты температуры гелия до 750 °C и производство водорода из воды и метана методом ПКМ.
В перспективе рассматривается вариант производства водорода из воды методом высокотемпературного электролиза с температурой более 800 °C, что обеспечит высокий КПД процесса (около 60−70%).
Для реакторов ВТГР с низкой энергонапряженностью активной зоны требуются корпуса больших размеров. Рассмотрены варианты ВТГР тепловой мощностью 600 МВт и 200 МВт с точки зрения влияния на стоимость производимого водорода. Различие в стоимости составило около 30% в пользу ВТГР большей единичной мощности. В России возможно изготовление корпусов по технологии ВВЭР только для реакторов мощностью 200 МВт. Актуальной задачей остается повышение температуры эксплуатации корпусов до 450−500 °С, что способствует повышению эффективности производства водорода.
Основной материал конструкции активной зоны реактора — графит типа ГР‑1, технология изготовления которого разработана АО «НИИграфит». Актуальным остается повышение степени очистки графита от примесей. Производство крупногабаритных заготовок может быть организовано в России. Графит ГР‑1 применим и для повышенных температур гелия — до 950 °C.
«НИИграфит» разработал новую марку графита ГР‑1 с использованием композитного материала на основе кокса. Облучение этого материала в НИИАРе подтвердило его высокую радиационную стойкость.
Ответственный элемент реакторной установки — парогенератор, который должен обеспечить выдачу пара с температурой 700 °C на первом этапе и от 800 °C — в перспективе. Разработки парогенераторов с такой температурой пара для ВТГР ранее не проводились. Циркуляционные компрессоры первого контура разрабатывались для температуры рабочей среды до 400 °C.
В России накоплен значительный опыт проектирования ВТГР с гелиевым теплоносителем. Наиболее успешные проекты — РУ ВГ‑400 и ВГМ. В рамках этих работ «Прометей» и ЦНИИТМАШ выполнили значительный комплекс исследований по освоению промышленного производства и испытаниям полуфабрикатов на никелевой основе на рабочие температуры до 950 °C, для железохромникелевого сплава — до 750 °C (для внутрикорпусных конструкций ВТГР).
При разработке АЭТС с ВТГР актуальной остается разработка новых кандидатных материалов, в том числе:
- испытания базовых материалов, производство пилотных партий материалов для лабораторных исследований; выбор ключевых кандидатных материалов на основе ускоренных методов испытаний с разработкой программного обеспечения предсказания физико-механических свойств изделий из новых материалов;
- испытания кандидатных материалов с использованием методик экспрессных имитационных исследований радиационной стойкости конструкционных материалов на ускорителях;
- разработка толерантного топлива для ВТГР с микротвэлами на основе диоксидного и карбонитридного топлива.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #8_2019