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.