Любовь к диаграмме "железо-углерод
Я пришла в «Девятку» (так тогда называли ВНИИНМ) 26 декабря 1967 года после окончания Московского института стали и сплавов, отучившись на факультете "Цветные и редкие радиоактивные материалы" на кафедре Андрея Анатольевича Бочвара по специальности "Металловедение и термическая обработка цветных и редких радиоактивных материалов". Из всех студентов взяли меня и мою подругу Иру Таборко. Она проработала во ВНИИНМ три года, потом ушла. А я осталась.
Первое впечатление от ВНИИНМ — чувство, что ты попал в очень серьезный, профессиональный коллектив. Нас определили в лабораторию к Нине Петровне Агаповой. Доктор наук, лауреат различных премий, она до ВНИИНМ работала на Урале, на Челябинском тракторном заводе, выпускавшем в годы Великой Отечественной войны танки, занималась термообработкой танковой брони. Это был очень глубокий и неординарный человек, замечательный специалист в своем деле. Она садилась с нами за стол, брала наш отчет, внимательно его изучала, после чего точно указывала нам на слабые места и недочеты: то, что вы предлагаете для обсуждения обнаруженного факта, может в дальнейшем, при наборе статистического материала, не подтвердиться, поэтому свое мнение высказывайте очень корректно и предположительно, в данном случае — дополнительно пересчитайте скорость диффузии, и т.д. Вот так нас учили. Причем зачастую это обучение было довольно жестким по форме, но, как правило, уместным и корректным по содержанию. И это обучение дало свой результат: мы научились и стали настоящими специалистами! Научный и рабочий опыт начинают давать о себе знать не ранее чем лет через 10. Тогда ты вдруг выходишь на более высокий уровень. Например, приезжаешь на предприятие, делаешь доклад и видишь, что руководители слушают тебя очень внимательно.
Антонина Васильевна Никулина. Лицо у нас в отрасли очень известное. Когда я попала на первый техсовет, она докладывала свою кандидатскую диссертацию. Лев Исаакович Цупрун говорит ей: "Насколько я знаю, сейчас в мире интерес к цирконию прошел, а вы нам рассказываете о его перспективах; может, вы плохо изучали научную литературу?". А Никулина (ей тогда было всего-то лет 35!) отвечает: "Лев Исаакович, я не знаю, какую Вы литературу читали (это она говорит доктору наук!), но та литература, которую я проанализировала, говорит о том, что это временное отхождение, и за цирконием большое будущее!". Это был один из тех случаев, когда Андрей Анатольевич Бочвар поддержал молодого специалиста, в будущем ставшего одним из главных экспертов по цирконию, человеком с мировым именем, Антонину Васильевну Никулину.
В «Девятке» нас действительно многому научили. Вы можете себе представить — я полюбила диаграмму "железо-углерод"! Ну так, наверное, лет в 50 вдруг полюбила. В этой диаграмме заложена вся наука и искусство металловедения в части сталей и сплавов на основе железа! Если долго работаешь по одной тематике, наступает момент, когда вдруг понимаешь принцип легирования, всю его суть… И ты видишь, сколько в этом принципе мудрости, потенциальных возможностей, и осознаешь, какой великолепный механизм у нас в руках.
Андрей Анатольевич Бочвар. Мы в молодости всегда были голодными и в обеденный перерыв бежали в столовую. Андрей Анатольевич, будучи директором, всегда вставал в конец очереди. Мы ему говорили: "Андрей Анатольевич, проходите вперед!". А он всегда отвечал тишайшим голосом: "Что вы, что вы, я никуда не спешу". Удивительно скромный человек! Высочайшее образование. Отличное знание нескольких иностранных языков. И плюс высочайший талант. Это дар Божий! Потомственный металловед, человек, который себя сделал. В библиотеке любой первый экземпляр иностранной научной литературы он всегда читал на английском и немецком языках. В то же время, при всей своей интеллигентности, Бочвар мог проштрафившегося сотрудника и очень жестко "приложить". Так что нельзя сказать, что в институте была лишь тишь да благодать.
Знаете, меня просто поражал стол Бочвара! У него стол был очень убранный. Стопочками лежат журналы. Лежит клочок бумажки, он делает на нем пометку, комментирует, и при этом говорит таким ясным простым языком. Даже будучи молодым специалистом, я поражалась, как можно так четко, ясно и просто излагать свои мысли по весьма сложным вопросам! Мне в жизни очень повезло, что я попала сюда, в этот коллектив, созданный Андреем Анатольевичем Бочваром. И представьте, я до сих пор люблю свою работу!
Вся моя сознательная трудовая жизнь посвящена работе над классом аустенитных хромоникелевых сталей. Это тема, которой я занималась не один десяток лет. Эти материалы были актуальны с самого начала разработки быстрых реакторов, так как были освоены в промышленности как нержавейка, поэтому все изыскания начались от простых сталей типа Х18Н10Т. В активной зоне реакторов на быстрых нейтронах оболочки тепловыделяющих элементов работают в сложных условиях: большой перепад температур по высоте оболочки от 350°C 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, используемым 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.
С самого начала разработки быстрых реакторов для изготовления оболочек твэлов использовались аустенитные хромоникелевые стали, так как они были хорошо освоены в промышленности. 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 и 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 (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. В нее дополнительно к предыдущему составу был добавлен бор, причем в гомеопатических количествах, чтобы его присутствие не приводило к образованию боросодержащих 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 11,2% т.а. Однако задачи, стоявшие перед отраслью, требовали продолжать работу по развитию и улучшению характеристик материала.
Тогда родилась мысль о дальнейшем совершенствовании этого класса материалов, и мы перешли к комплексному легированию. Были реализованы структурные подходы 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!
Новая сталь получила название ЭК164 — 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 новой марки стали, которая сегодня называется ЭК164, были начаты еще в 1991 году. За прошедшие годы было проработано много различных вариантов ее изготовления.
Не хочу хвастаться, но материал получился действительно уникальный. В этом материале много резервов с точки зрения эффективности работы малых добавок — элементов внедрения: бора, редкоземельных металлов и фосфора. Эти элементы распределяются в аустените по дефектным местам структуры (границы зерен, двойников и т.д.), не создавая напряжение в кристаллической решетке матрицы. Содержание фосфора строго регламентировано, его максимальное количество, можете себе представить, это 0,025 %! 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 ГК «Росатом». Для обеспечения конкурентных экономических показателей при продлении эксплуатации требовалось обеспечить прирост эффективности за счет повышения глубины выгорания не менее 15 % т.а.
Первые экспериментальные данные по облучению твэлов с оболочками из стали ЭК164 на штатные параметры появились примерно 7 лет назад. Дальнейшее облучение оболочек из стали ЭК164 в составе экспериментальных ТВС на повышенные параметры эксплуатации (до 15 % т.а., повреждающая доза 108 сна, 888 эфф. сут.) доказали высокую радиационную стойкость этой стали. Сегодня мы перешли к штатной загрузке реактора БН-600 на твэлы с оболочками из стали ЭК164, что, согласно расчетно-экспериментальному обоснованию, позволит обеспечить выгорание не менее 15% т.а., а это весьма большие повреждающие дозы — не менее 110 сна, и в интервале таких доз мы никогда раньше не работали. Если бы мы не обеспечили прирост выгорания не менее 15 % т.а., то продление эксплуатации не было бы экономически целесообразно.
Запуск реактора БН-800 на Белоярской АЭС состоялся 10 декабря 2015 года. Кроме своего основного, производственного назначения, он имеет большое экспериментальное значение: на нем производится окончательная отработка технологии реакторов данного типа, которые предстоит применить в перспективном реакторе БН-1200М. 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 % т.а., так как в активной зоне БН-800 более жесткий спектр нейтронов.
Если описать образно, представьте, что кристаллическую решетку стали при облучении в БН-800 бомбардирует в разы больше заряженных частиц за единицу времени, чем в БН-600. Иными словами, металлу оболочки в БН-800 выстоять гораздо тяжелее. Но самая большая сложность — взаимодействие стали со смешанным уран-плутониевым топливом.
В дальнейшем у нас будет БН-1200М, это перспектива. В соответствии с актуализированной в 2021 году Генеральной схемой размещения объектов электроэнергетики, энергоблок с реактором БН-1200М на Белоярской АЭС будет введен в эксплуатацию в период 2031-2035 гг. Главным конструктором реакторов БН принято решение, что оболочки твэлов для стартовой загрузки этого реактора также будут изготовлены из стали 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 — более 1400 эффективных суток. Иными словами, твэлу необходимо отстоять в активной зоне реактора более 30 тысяч часов!
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-1200М. 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. Наладить производство нового материала, который за счет очень сложной металлургии и собственной микроструктуры 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 трех 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.