Ватулин Александр Викторович

Эволюция транспортных твэлов

Я при­шел во ВНИ­ИНМ в 1972 году, окон­чив Мос­ков­ский инже­нерно-физи­че­ский инсти­тут по спе­ци­аль­но­сти "Физико-энерге­ти­че­ские уста­новки". Моими учи­те­лями здесь были Михаил Ива­но­вич Соло­нин, член-кор­ре­спон­дент Ака­демии наук, и Андрей Григо­рье­вич Самой­лов, член-кор­ре­спон­дент Ака­демии наук, кото­рый также был моим науч­ным руко­во­ди­те­лем, когда я защищал кан­ди­дат­скую дис­сер­тацию. Я застал Андрея Ана­то­лье­вича Боч­вара, при­сут­ство­вал на совеща­ниях, кото­рые про­во­дил глава Ака­демии наук СССР Ана­то­лий Пет­ро­вич Алек­сан­дров. На этих совеща­ниях также при­сут­ство­вал Олег Бори­со­вич Самой­лов: тогда, в 1972-73 годах, он был одним из самых моло­дых заме­сти­те­лей гене­раль­ного дирек­тора ОКБМ, ему было немногим за 30 лет. В то время занимать столь высо­кую долж­ность в таком моло­дом воз­расте — это было доста­точно ред­кое явле­ние. И с тех пор мы с Самой­ло­вым тесно сотруд­ни­чали, поскольку раз­ра­бот­чи­ком актив­ных зон транспорт­ных реак­то­ров 3-го и 4-го поко­ле­ний был ОКБМ. Ледо­коль­ные реак­торы, кора­бель­ные реак­торы, ПЭБ — это все раз­ра­ботки ОКБМ.

Пер­вые теп­ло­вы­де­ляющие элементы для актив­ных зон транспорт­ных реак­то­ров раз­ра­ба­ты­ва­лись в Кур­ча­тов­ском инсти­туте и МСЗ в г. Элек­тро­стали. В тот период счи­та­лось, что лучшим кон­струкци­он­ным мате­ри­а­лом для обо­лочки твэла явля­ется нержа­веющая сталь. В каче­стве ядер­ного топ­лива рас­смат­ри­вался диок­сид урана в виде спе­чён­ных таб­ле­ток или виб­ро­уплот­нен­ной крупки, про­пи­тан­ной свинцово-вис­му­то­вым спла­вом, кото­рый при рабо­чей темпе­ра­туре нахо­дился в жид­ком состо­я­нии. Изна­чально была пред­ложена кон­струкция стерж­не­вого твэла диамет­ром около 6 мм. Однако воз­ник ряд про­блем. Под облу­че­нием топ­лив­ный сер­деч­ник изме­няет объем. Ядра урана-235 делятся, обра­зуя осколки, при этом объем оскол­ков в процессе деле­ния ста­но­вится больше исход­ного объема урана. Этот процесс назы­ва­ется рас­пу­ха­нием. В свою оче­редь, нержа­веющая сталь под воз­действием потока быст­рых нейтро­нов меняет свойства, ста­но­вится хруп­кой, поэтому минималь­ные деформации вызы­вали большой рост напряже­ния, начи­на­лась кор­ро­зия под напряже­нием, и обо­лочки доста­точно быстро раз­руша­лись. При разгерме­ти­за­ции твэла с таб­лет­ками радио­ак­тив­ность теп­ло­но­си­теля резко воз­рас­тала. При разгерме­ти­за­ции твэ­лов со свинцово-вис­му­то­вым спла­вом воз­ни­кала опас­ность выте­ка­ния сплава и пережога твэ­лов. К реше­нию этих про­блем при­ступили спе­ци­а­ли­сты ВНИ­ИНМ.

Во-пер­вых, нужно было опре­де­литься с типом твэла: кон­тей­нер­ный, без метал­лурги­че­ской связи сер­деч­ника и обо­лочки — или диспер­си­он­ный, с нали­чием такой связи. В каче­стве досто­инств твэла кон­тей­нер­ного типа можно отме­тить ура­но­ем­кость, сжимающие напряже­ния в обо­лочке при работе на стаци­о­нар­ном уровне мощ­но­сти. Недо­статки — высо­кая темпе­ра­тура топ­лива, сво­бод­ный объём под обо­лоч­кой, термо­ме­ха­ни­че­ское вза­и­мо­действие сер­деч­ника с обо­лоч­кой при цик­ли­че­ских изме­не­ниях темпе­ра­туры. Диспер­си­он­ные твэлы имели невы­со­кую темпе­ра­туру сер­деч­ника, проч­ное соеди­не­ние обо­лочки и сер­деч­ника, обес­пе­чи­вающее высо­кую стой­кость при цик­ли­че­ских изме­не­ниях темпе­ра­туры, а в слу­чае разгерме­ти­за­ции обо­лочки они поз­во­ляли про­должить работу, не опа­са­ясь рез­кого уве­ли­че­ния актив­но­сти теп­ло­но­си­теля 1-го кон­тура. К нега­тив­ным харак­те­ри­сти­кам таких твэ­лов можно отне­сти невы­со­кую ура­но­ём­кость и посто­ян­ные рас­тяги­вающие напряже­ния в обо­лочке. Низ­кая ура­но­ём­кость на самом деле не явля­лась отрица­тель­ной харак­те­ри­сти­кой, поскольку компен­си­ро­ва­лась при­ме­не­нием урана повышен­ного обогаще­ния. Предпо­чте­ние было отдано диспер­си­он­ному твэлу, глав­ным обра­зом потому, что он обес­пе­чи­вал более высо­кую надеж­ность при работе в манёв­рен­ных режимах.

Мате­риал мат­рицы должен обла­дать высо­кой теп­лопро­вод­но­стью, нахо­диться в твер­дом состо­я­нии в рабо­чих усло­виях, обла­дать хорошими литей­ными свойствами. Исходя из этого, в каче­стве мате­ри­ала мат­рицы был выбран алюми­ний-крем­ни­е­вый сплав. Реак­тор­ные испыта­ния опыт­ных твэ­лов с раз­лич­ными соеди­не­ни­ями урана в мат­рице из алюми­ни­е­вых спла­вов пока­зали, что они вза­и­мо­действуют с обра­зо­ва­нием интерме­тал­ли­че­ских соеди­не­ний типа U-Al-Si. В сер­деч­нике про­ис­хо­дят струк­тур­ные изме­не­ния, ухуд­шающие его свойства, — напри­мер, снижа­ется теп­лопро­вод­ность. Тогда решили взять интерме­тал­лид U-Al-Si в каче­стве исход­ного мате­ри­ала для частиц ядер­ного топ­лива и обна­ружили, что в этом слу­чае вза­и­мо­действия топ­лива с мат­рич­ным мате­ри­а­лом прак­ти­че­ски не про­ис­хо­дит. Создан­ная топ­лив­ная компо­зиция обла­дала высо­кой ради­аци­он­ной стой­ко­стью, сохра­няла под облу­че­нием струк­туру и высо­кую теп­лопро­вод­ность. При этом все твэлы можно пере­ра­бо­тать по суще­ствующей тех­но­логии пере­ра­ботки ОЯТ.

Одно­временно совместно с МСЗ была раз­ра­бо­тана уни­каль­ная тех­но­логия изго­тов­ле­ния твэ­лов на основе метода литья под дав­ле­нием в вакуум. Тех­но­логия поз­во­ляла исполь­зо­вать раз­лич­ное ядер­ное топ­ливо, обо­лочки раз­лич­ной формы из раз­лич­ных мате­ри­а­лов. В будущем это поз­во­лило доста­точно про­сто, без зна­чи­тель­ных изме­не­ний тех­но­логи­че­ского обо­ру­до­ва­ния, совершен­ство­вать кон­струкцию твэ­лов. Интерме­тал­лид­ное топ­ливо стало штат­ным топ­ли­вом транспорт­ных реак­то­ров. Были изго­тов­лены стерж­не­вые твэлы для актив­ных зон 1-го и 2-го поко­ле­ния кора­бель­ных реак­то­ров. Однако надёж­ность стерж­не­вых твэ­лов ока­за­лась неудо­вле­тво­ри­тель­ной. Посто­янно действующие и воз­рас­тающие из-за рас­пу­ха­ния сер­деч­ника и охруп­чи­ва­ния нержа­веющей стали рас­тяги­вающие напряже­ния в обо­лочке при­во­дили к кор­ро­зи­он­ному рас­трес­ки­ва­нию обо­ло­чек. Для реше­ния этой про­блемы спе­ци­а­ли­сты ВНИ­ИНМ пред­ложили кон­струкцию кольце­вого твэла. В кольце­вом твэле две обо­лочки — наруж­ная и внут­рен­няя. Между ними рас­по­ложен топ­лив­ный сер­деч­ник. Такая кон­струкция поз­во­ляет пере­напра­вить часть деформации, воз­ни­кающей от рас­пу­ха­ния топ­лива, на внут­рен­нее кольцо, снижая тем самым деформацию внеш­ней обо­лочки твэла. Актив­ные зоны реак­то­ров вто­рого поко­ле­ния с кольце­выми твэ­лами рабо­тали хорошо, и к ним не было пре­тен­зий.

С тече­нием времени от реак­тор­ных уста­но­вок потре­бо­ва­лись более высо­кие харак­те­ри­стики, выросла мощ­ность, повы­си­лась энерго­напряжен­ность. Кольце­вые твэлы уже не под­хо­дили по теп­лофи­зике, так как имели недо­ста­точ­ную поверх­ность для отвода тепла. Тогда воз­никла идея заме­нить рас­тяги­вающие деформации на изгиб­ные. Мы пред­ложили более слож­ную кон­струкцию, при кото­рой деформация рас­тяже­ния меня­ется на деформацию изгиба — само­ди­станци­о­ни­рующи­еся кре­сто­об­раз­ные твэлы, обо­лочка кото­рых закру­чена вдоль соб­ствен­ной оси. Такие твэлы имели большую поверх­ность теп­ло­съёма и могли уста­нав­ли­ваться без дистанци­о­ни­рующих реше­ток, ухуд­шающих отвод тепла.

Твэлы тре­тьего поко­ле­ния стали шагом впе­ред, поз­во­лили уве­ли­чить энерго­напряжен­ность и ресурс, однако даль­нейшее уве­ли­че­ние ресурс­ных харак­те­ри­стик актив­ной зоны с твэ­лами с обо­лоч­ками из нержа­веющей стали было невозможно из-за охруп­чи­ва­ния и кор­ро­зи­он­ного рас­трес­ки­ва­ния обо­ло­чеч­ного мате­ри­ала. Нача­лись поиски нового мате­ри­ала. При­ме­нять цир­ко­ни­е­вые сплавы из-за таких нега­тив­ных свойств, как склон­ность к язвен­ной кор­ро­зии, поглоще­ние водо­рода и пароцир­ко­ни­е­вая реакция для твэ­лов кора­бель­ных уста­но­вок, счи­та­лось неце­ле­со­об­раз­ным. В сере­дине 80-х годов обра­тили внима­ние на хром-нике­ле­вый сплав, тогда он назы­вался ЭП-630, кото­рый обла­дал исклю­чи­тель­ной кор­ро­зи­он­ной стой­ко­стью и исполь­зо­вался для изго­тов­ле­ния хими­че­ского обо­ру­до­ва­ния на предпри­я­тиях по пере­ра­ботке ОЯТ, так как прак­ти­че­ски не рас­тво­рялся в азот­ной кис­лоте. Мате­рил проч­ный, вяз­кий, слож­ный для меха­ни­че­ской обра­ботки. Раз­ра­бо­тали тех­но­логию, изго­то­вили из него обо­лочки для твэла, поста­вили на испыта­ния в иссле­до­ва­тельский реак­тор. Ока­за­лось, что мате­риал не только кор­ро­зи­он­но­стойкий, но и вели­ко­лепно ведет себя под облу­че­нием, не охруп­чи­ва­ется и сохра­няет высо­кую пла­стич­ность, то есть имеет именно те каче­ства, кото­рые и были необ­хо­димы. После модер­ни­за­ции хими­че­ского состава, метода выплавки и ряда других парамет­ров сплаву дали назва­ние 42ХНМ. ВНИ­ИНМ была про­ве­дена большая работа по атте­стации 42ХНМ как мате­ри­ала, при­год­ного для обо­ло­чек твэ­лов транспорт­ных реак­то­ров. Мате­риал атте­сто­вали, опре­де­лив все свойства, необ­хо­димые для обес­пе­че­ния выпуска тех­ни­че­ских про­ек­тов и обос­но­ва­ния ресурс­ных харак­те­ри­стик. Появ­ле­ние этого уни­каль­ного мате­ри­ала поз­во­лило изго­тав­ли­вать тре­тье поко­ле­ние твэ­лов с обо­лоч­кой из 42ХНМ, кото­рая выдержи­вала высо­кие нагрузки, оста­ва­ясь герме­тич­ной.

Твэлы транспорт­ных реак­то­ров посто­янно модер­ни­зи­руются, а их харак­те­ри­стики улучшаются. Пер­вые компа­нии (время работы реак­тор­ной зоны на 100 % мощ­но­сти) были в 20 раз короче, чем сегодня. Пер­вые реак­торы ВВЭР-440 имели прак­ти­че­ски такое же топ­ливо, как и сегодня, кото­рое выгружа­лось с выго­ра­нием 45 МВт-сутки/кг, а сей­час выгружают с выго­ра­нием порядка 60 МВт-сутки/кг, за 60 лет уве­ли­чили выго­ра­ние при­бли­зи­тельно на 30 %. У нас выго­ра­ние изме­ря­ется в других еди­ни­цах, в коли­че­стве раз­де­лившихся ядер урана по весу: грамм оскол­ков на см куби­че­ский. Вес оскол­ков равен весу раз­де­лившегося урана. Если пере­ве­сти на МВт-сутки, то у нас выго­ра­ние состав­ляет порядка 150 МВт-суток, что в 2,5 раза выше, чем у твэ­лов ВВЭР. В 1972 году выго­ра­ние топ­лива транспорт­ных твэ­лов состав­ляло ~ 0,2 грамма на см куби­че­ский, а сей­час ~ 1,2 грамма на см куби­че­ский. За 50 лет выго­ра­ние уве­ли­чили в 6 раз; это озна­чает, что в 6 раз уве­ли­чился и энерго­ре­сурс актив­ных зон! Оче­видно, что с уве­ли­че­нием энерго­ре­сурса уве­ли­чи­ва­ется время работы на мощ­но­сти, коли­че­ство цик­лов изме­не­ния мощ­но­сти, повре­ждающая доза нейтрон­ного облу­че­ния и ряд других повре­ждающих фак­то­ров; несмотря на это, твэлы остаются герме­тич­ными. Можно ска­зать, что мы доби­лись нуле­вого отказа твэ­лов, суще­ственно уве­ли­чив энерго­ре­сурс, и обес­пе­чили благопри­ят­ную ради­аци­он­ную обста­новку при обслужи­ва­нии транспорт­ной энерге­ти­че­ской уста­новки и перегрузке отра­бо­тавшего топ­лива.

Для реак­тора на ПЭБ «Ака­демик Ломо­но­сов» было необ­хо­димо решить задачу с обогаще­нием топ­лива. В энерге­ти­че­ских реак­то­рах обогаще­ние по урану-235 состав­ляет 4,5%, тогда как на транспорт­ных обогаще­ние пре­вышает 20%. МАГАТЭ в целях нерас­про­стра­не­ния ядер­ного оружия рекомен­дует для граж­дан­ских реак­то­ров исполь­зо­вать топ­ливо с обогаще­нием не выше 19,75%. Нам поста­вили задачу раз­ра­бо­тать теп­ло­вы­де­ляющий элемент, удо­вле­тво­ряющий тре­бо­ва­ниям МАГАТЭ. Мы решили вер­нуться к топ­ливу из диок­сида урана. Ура­но­ем­кость диок­сида урана прак­ти­че­ски в два раза выше ура­но­ем­ко­сти интерме­тал­лида. Это поз­во­ляет при одном и том же коли­че­стве топ­лива в обо­лочке в два раза уве­ли­чить коли­че­ство урана, загружа­емого в актив­ную зону, и пони­зить обогаще­ние по урану-235. На основе ана­лиза результа­тов испыта­ний опыт­ных образцов твэ­лов мы опре­де­лили оптималь­ные свойства топ­лив­ных гра­нул из диок­сида и раз­ра­бо­тали тех­но­логию, обес­пе­чи­вающую изго­тов­ле­ние гра­нул с задан­ными свойствами. Раз­ра­бо­тали и запа­тен­то­вали кон­струкцию теп­ло­вы­де­ляющего элемента для ПЭБ. Осо­бен­но­стью кон­струкции твэла стал компен­са­тор рас­пу­ха­ния топ­лива, рас­по­ложен­ный по цен­траль­ной оси твэла. Рас­пу­хающий из-за деле­ния ядер урана сер­деч­ник «зате­кает» за счет ради­аци­онно-стиму­ли­ру­емой пол­зу­че­сти в компен­саци­он­ную полость, благо­даря чему внеш­ний диаметр твэла прак­ти­че­ски не меня­ется. Это обес­пе­чи­вает низ­кий уро­вень напряже­ний в обо­лочке твэла и ста­биль­ность гид­рав­ли­че­ских и теп­лофи­зи­че­ских харак­те­ри­стик актив­ной зоны. Сегодня эти твэлы успешно рабо­тают на ПЭБ «Ака­демик Ломо­но­сов» и удо­вле­тво­ряют тре­бо­ва­ниям МАГАТЭ к граж­дан­ским реак­то­рам, что поз­во­лит в будущем постав­лять подоб­ные энерго­блоки на экс­порт в другие страны.