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.