Будущее атомной энергетики
Я учился в Самусьском лицее имени академика В. В. Пекарского; это академик, который занимался проблемами кардиологии и кардиохирургии. В детстве я хотел быть и спортсменом, и штурманом речного флота, и летчиком, но в 9-10 классе определил, что хочу связать свою жизнь с физикой и химией. Поступил в Национальный исследовательский Томский политехнический университет на кафедру технологии редких, рассеянных и радиоактивных элементов. После окончания распределился в аспирантуру. Защитил кандидатскую диссертацию в Томском политехе, докторскую - в филиале МИФИ в Северске. В Северске за 10 лет прошел путь от старшего преподавателя кафедры до профессора и заведующего кафедрой машин и аппаратов химических производств.
Преподавать мне нравилось. Приходилось разрабатывать образовательные стандарты, учебные планы, методику преподавания и контрольно-измерительные методики, в том числе с использованием современных мультимедийных средств. Под моим руководством существенно обновился парк учебно-лабораторного оборудования, были внедрены цифровые технологии в проектирование химического оборудования. Результатами преподавательской работы доволен - наши студенты разъехались по всей России. Распределились в Железногорск, Зеленогорск, в Электросталь, в Новосибирск, многие уехали в институты в Москве.
В 2013 году я переехал в Москву и начал работать в АО «ВНИИНМ». В этом институте сегодня разрабатывается толерантное топливо, включающее различные типы оболочек для твэлов: в частности, циркониевые оболочки, покрытые хромом для повышения коррозионной стойкости, и оболочки на основе стали 42ХНМ. Я занимаюсь третьим направлением – оболочками на основе композиционных материалов, а именно карбида кремния (SiC). Такая оболочка состоит из плетеного многофиламентного SiC волокна и SiC матрицы. Данная технология по своим свойствам хорошо подходит для атомной энергетики из-за таких характеристик, как низкое сечение захвата тепловых нейтронов (ниже, чем у циркония), высокие теплопроводность, термостойкость и радиационная стойкость, низкая активируемость, высокая коррозионная стойкость в паре.
Тем не менее опыт работы с керамическими композиционными материалами в России развит меньше, чем с металлами. В России не производятся коммерческие волокна из карбида кремния требуемого для нас качества: всего 2-3 организации занимаются разработкой SiC-волокна, в том числе АО «Композит» и АО «ГНИИХТЭОС», с которыми мы и сотрудничаем. Созданы опытные образцы определенной длины и состава, но у них имеются недостатки. В частности, химический состав немного не дотягивает до общемировых показателей. Совместно с этими организациями мы работаем над улучшением состава и масштабированием данного направления и уже приближаемся по качеству к мировым лидерам.
Композиты на основе карбида кремния сейчас активно исследуются на предмет их коррозионной стойкости в условиях работы в реакторе ВВЭР с температурой 360-380°C под давлением. Также проводятся высокотемпературные испытания до 1200°C в паре, имитирующие условия проектной аварии. Это микроструктурные исследования, позволяющие лучше изучить свойства композита. Мы провели облучение наших образцов в исследовательском реакторе БОР-60 в АО ГНЦ «НИИАР», где получили важные данные, показывающие, что наши материалы ведут себя достаточно хорошо под облучением и не теряют своих характеристик. Сейчас наша задача — создание герметичной оболочки, позволяющей получить низкое натекание по гелию, и по результатам 2024 года это было достигнуто.
В следующем году мы должны продемонстрировать, что наши оболочки соответствуют всем требованиям по герметичности и прочности. В АО «ВНИИНМ» проводятся работы по моделированию поведения оболочек из карбида кремния в реакторах ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200. Мы постоянно получаем новые данные, проводим уточнение характеристик и пополняем созданные нами базы данных по этому материалу. После проведения каждого исследования мы понимаем, что именно нужно улучшить в материале, думаем, как это сделать, и составляем «дорожные карты» на следующие этапы работы. Следующий этап — испытания оболочек твэлов из SiC уже в действующих реакторах на тепловых нейтронах. Данные, которые мы получим в результате исследования материала на основе карбида кремния, войдут в основу проектирования тепловыделяющих сборок для реакторов четвертого поколения. В частности, будет понятно, можно ли продолжать использовать существующую конструкцию активной зоны реакторов или придется разрабатывать новую. Сечение захвата тепловых нейтронов в твэлах из карбида кремния ниже, чем у действующих сегодня твэлов из циркониевых сплавов. Это улучшает нейтронно-физические характеристики реактора и позволяет более эффективно использовать топливо, что соответствует требованиям, предъявляемым к реакторам четвертого поколения — высокой экономической эффективности. Для топлива в этих оболочках, возможно, будет достаточно более низкого обогащения, но этот вопрос требует проведения отдельных исследований, которые покажут, насколько может повыситься степень выгорания топлива в твэлах с оболочками из карбида кремния.
Основное преимущество оболочки из SiC – это высокая безопасность эксплуатации атомных электростанций. В частности, они делают невозможными аварии, подобно той, что была на АЭС «Фукусима». Какая проблема у циркониевых оболочек? При высоких температурах в случае возникновения внештатной ситуации или аварии цирконий нагревается и начинает разлагать воду с образованием водорода, который взрывоопасен. Кинетика при взаимодействии с водой карбида кремния очень низкая, и процессы, которые происходят с цирконием, физически невозможны. Оболочки из SiC обеспечивают одно из главных требований, предъявляемых к реакторам четвертого поколения – высокую безопасность. Твэлы с такими оболочками могут использоваться как в уже действующих реакторах типа ВВЭР, так и в активных зонах новых реакторов четвертого поколения. Оболочки из карбида кремния — это будущее атомной энергетики.