Митрофанова Нина Михайловна

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.