Круглов Олег Анатольевич

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.