ГлавнаяКруглов О. А. → Без сварки нет твэла

Круглов Олег Анатольевич

Технолог по контактно-стыковой сварке. Окончил МВТУ им. Н.Э. Баумана. Работает во ВНИИНМ с 1980 года. Имеет 3 патента и 5 авторских свидетельств.

Без сварки нет твэла

Я пришел во ВНИИНМ в 1980 году после окончания МВТУ им. Баумана. В МВТУ кафедра сварки была очень сильная, ее заведующим был ректор университета, работали исследовательские группы, куда привлекали студентов 4-го и 5-го курсов. Так что базовые знания и навыки исследовательской работы я получил хорошие.

Сварка - один из основных технологических процессов при изготовлении тепловыделяющих элементов. Когда я пришел во ВНИИНМ, то сразу включился в работу над технологией контактно-стыковой сварки твэлов энергетических реакторов в группе, возглавляемой кандидатом технических наук Л. Т. Бабкиным. У этой технологии есть ряд преимуществ перед сваркой плавлением как за счет упрощения самой конструкции твэлов, так и технологии его изготовления на производстве.  

Сегодня эта технология широко используется для сварки твэлов энергетических реакторов из циркониевых сплавов на АО «МСЗ», ПАО «НЗХК» и АО «СХК». В чем же ее уникальность? Технология контактно-стыковой сварки позволяет произвести герметизацию твэлов без расплавления свариваемых деталей за счет их пластической деформации, вызываемой нагревом током большой величины и сварочным усилием. В шве проходят диффузионные процессы, и получается неразъемное герметичное соединение без трещин и пор, присущих сварке плавлением. Все происходит за десятые доли секунды, поэтому изделие не окисляется, что важно для циркониевых сплавов, из которых изготавливаются оболочки и герметизирующие ее заглушки. Для этого типа сварки разработан специальный электрод, который позволяет сделать протяженность сварного соединения более 2,5 толщины стенки оболочки твэла. Большая длина соединения значительно повышает надежность изделия и безопасность его эксплуатации в реакторе. При обычной сварке длина сварного соединения не превышает толщину стенки оболочки. 

Процесс внедрения контактно-стыковой сварки не проходил гладко. В начале 1980-х годов были отмечены отдельные случаи разгерметизации твэлов в реакторе типа РБМК с разрушением оболочки в области сварного шва. Чтобы выяснить причину их возникновения, была разработана специальная лабораторная установка, имитирующая работу в реакторе участка оболочки твэла с приваренной к ней герметизирующей заглушкой. В ходе исследований выяснилось, что причина разрушения не в технологии сварки, а в локальном гидрировании сварного соединения, возникающем при непосредственном опирании топлива на сварной шов и повышенном содержании влаги в топливе. Чтобы решить эту проблему, мы предложили специальную заглушку, которая отделяла топливо от шва, предотвращая локальный перегрев сварного соединения. Внедрение заглушек новой конструкции и технологические мероприятия на производстве по снижению влаги под оболочкой твэла позволили устранить разгерметизацию твэлов в связи с локальным гидрированием.

Герметизация сваркой является одной из самых ответственных операций при изготовлении тепловыделяющих элементов. Технологические параметры сварки твэлов вновь разработанной конструкции тщательно подбираются при сварке партий экспериментальных образцов, а металлографические шлифы сварных соединений исследуются на наличие дефектов. Шов должен удовлетворять нормативным документам, определяющим требования к сварным швам в атомной энергетике, обеспечивать герметичность и иметь удовлетворительный внешний вид. Сварные швы работают в условиях радиации и коррозионной среды при высоких температурах, испытывают механические нагрузки и т.д. Поэтому при разработке технологии сварки максимально учитываются условия работы сварных швов в реакторе, проводятся коррозионные, механические и другие испытания сварных соединений. Только после удовлетворительных результатов этих испытаний можно рекомендовать разработанную технологию сварки для производства. При разработке технологии сварки специалисту необходимо обладать знаниями в самых разных областях, знать конструкцию изделия, условия работы его в реакторе, технологические параметры оборудования на производстве и многое другое.

Сегодня работа по толерантному топливу ведется по нескольким направлениям, и одна их важнейших ее составляющих -  разработка технологии сварки для тепловыделяющих элементов из новых материалов: циркония с хромовым покрытием, сплава «Бочвалой» (сталь 42ХНМ) и карбида кремния. При сварке циркониевых оболочек, покрытых хромом, главная сложность – не повредить слой покрытия из хрома, а в остальном технология сварки применялась штатная. В случае сплава «Бочвалой» проблемы были связаны с очень тонкой стенкой оболочки твэла и высокой жаропрочностью сплава, так что пришлось повозиться. Технология сварки разрабатывалась совместно со специалистами ПАО «НЗХК». Работа заняла несколько месяцев. В итоге решение было найдено, и сейчас опытные сборки с такими твэлами проходят испытания в реакторе. Работа по третьему материалу – карбиду кремния – пока продолжается. Сложность в том, что этот материал - диэлектрик, и существующие технологии электрических видов сварки не применимы. По этой причине для оболочек из карбида кремния было принято решение опробовать технологию пайки. Работа осложняется тем, что процесс создания оболочки из карбида кремния пока продолжается, и процесс пайки приходится отрабатывать на опытных образцах оболочек. Задача создания технологии герметизации оболочек твэлов из карбида кремния довольно сложная, необходимо отработать надежный процесс герметизации, обеспечивающий минимум брака. Ведь подобных твэлов предстоит выпускать десятки тысяч в год. Эта технология должна быть адаптирована к массовому промышленному производству и обеспечивать высокую производительность. Толерантное топливо - это не только новые, уникальные оболочки, но и важный этап в развитии отрасли. А разработка технологии его сварки и пайки - заключительный этап его создания, без успешного завершения которого вся предыдущая проделанная работа окажется бессмысленной.

Сварка твэла - это одна из самых ответственных операций при его изготовлении. Твэл - изделие дорогое, и некачественно выполненная сварка приводит к отбраковке всего изделия. Успешное применение вновь разработанного технологического процесса на производстве невозможно без участия специалистов по сварке на предприятиях по изготовлению твэлов: АО «МСЗ» и ПАО «НЗХК». Специалисты этих предприятий внесли большой вклад при внедрении контактно-стыковой сварки для герметизации твэлов, а в настоящее время обеспечивают проведение сварочной операции по герметизации твэлов   практически без отбраковки. Отлаженная технология также является дополнительным звеном безопасности при производстве топливных элементов. Без сварки нет твэла – есть трубка и топливо. Поэтому наша технология должна быть безупречной. И ее надежность подтверждается практикой. Способ контактно-стыковой широко используется на предприятиях отрасли, и в настоящее время в РФ практически все твэлы с оболочками из циркониевых сплавов герметизируются этим способом сварки.

 

Предприятия: ВНИИНМ имени А.А. Бочвара, ОАО (Институт специальных металлов НКВД, Инспецмет НКВД, НИИ-9, ВНИИ неорганических материалов), Машиностроительный завод, ПАО (МСЗ, «Элемаш», завод № 12), Министерство среднего машиностроения СССР, аппарат (Минсредмаш СССР, Министерство атомной энергетики и промышленности СССР, Министерство Российской Федерации по атомной энергии, Минатом России, Федеральное агентство по атомной энергии, Росатом, Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом», госкорпорация «Росатом»), НЗКХ - Новосибирский завод химконцентратов (ПАО), Сибирский химический комбинат, ОАО (Зауральский машиностроительный завод, комбинат 816, п/я 129, п/я 153, п/я В-2994, СХК)

Беседовал: Южанин Александр