Заведующий кафедрой физических проблем материаловедения НИЯУ МИФИ Борис Калин рассказывает о последних разработках и перспективных направлениях в области создания толерантного топлива.
По данным МАГАТЭ, сегодня в мире действуют 450 ядерных реакторов, еще 55 строятся. В основном это реакторы западного дизайна: под давлением — PWR (США, Франция, Япония, Китай, Южная Корея, Великобритания, Германия и др.) и кипящие — BWR (США, Япония, Индия, Германия и др.); есть и установки российского дизайна: ВВЭР‑440, ВВЭР‑1000. Существуют также реакторы канальные, типа CANDU (Канада, Китай и Южная Корея), РБМК‑1000 и ЭГП (Россия); Китай осваивает проекты собственного дизайна (CNP‑1000, CNP‑600 и CNP‑300).
Базовое ядерное топливо — тепловыделяющие сборки (ТВС), содержащие твэлы. Твэлы легководных реакторов на тепловых нейтронах состоят из оболочек, изготовленных из сплавов на основе циркония, и ядерного топлива в виде таблеток диоксида урана. Оболочка твэла — первый физический барьер на пути выхода продуктов деления ядерного топлива в теплоноситель.
Сегодня атомная энергетика имеет группу хорошо зарекомендовавших себя в процессе эксплуатации сплавов на основе циркония для ТВС легководных реакторов.
Сплавы российской разработки — это Э110 (оболочки и заглушки твэлов и дистанционирующие решетки ТВС), Э635 (для труб направляющих каналов и для уголков жесткости в ТВС), Э125 (для канальных труб реактора РБМК). Сплавы аналогичного назначения западного дизайна: циркалой‑2 (Zry‑2), циркалой‑4 (Zry‑4) и Zr‑2,5Nb. Циркониевые сплавы постоянно совершенствуются, применяются сложные композиции: цирконий-ниобий-олово с добавками железа и кислорода (Э635, ZIRLO) и другие. В российских реакторах внедряются оптимизированные учеными ВНИИНМа композиции сплавов.
За всю историю атомной энергетики известно несколько крупных аварий, связанных с перегревом активной зоны. В декабре 1952 года на канадской АЭС «Чок-Ривер» в штате Онтарио произошли перегрев и частичное расплавление активной зоны. В 1979 году в США на АЭС «Tри-Майл Айленд» в штате Пенсильвания, активная зона была расплавлена на 53%. Затем случился Чернобыль — на четвертом блоке была разрушена активная зона реактора. А 11 марта 2011 года в Японии в результате землетрясения и цунами на атомной станции «Фукусима‑1» из-за отключения охлаждающей системы расплавилось ядерное топливо в реакторе блока № 1. Именно авария на «Фукусиме‑1» послужила сигналом к активизации НИР по разработке оболочек, устойчивых в аварийных условиях.
В процессе эксплуатации ядерного реактора на поверхности деталей ТВС, изготовленных из сплавов циркония, в теплоносителе возникает плотная защитная пленка оксида циркония — эффективный защитный барьер на пути проникновения кислорода и водорода в сплав. Что происходит при перегреве оболочек твэлов легководных реакторов? С ростом температуры за счет фазовых превращений в оксиде и в самом цирконии идет деградация защитных свойств оксида. Этому способствует и процесс раздувания оболочки твэла изнутри газами при нагревании, приводящий к разрушению оксида.
Цирконий, будучи химически активным элементом, начинает взаимодействовать с водяным паром, и при температуре выше 900 °C идет экзотермическая реакция с выделением энергии (порядка 600 кДж/моль) и образованием большого количества водорода. В результате оболочка поглощает кислород и водород и охрупчивается, а из-за интенсивного химического взаимодействия происходит настолько активное окисление, что оболочка твэла может разрушиться полностью. Поэтому разработка устойчивых к высокотемпературному окислению оболочек твэлов имеет принципиальное значение для безопасности атомной энергетики в целом.
Применение различных вариантов покрытий для повышения сопротивления высокотемпературному окислению сплавов на основе циркония возможно при кратковременной проектной аварии с ограничением температуры и времени перегрева оболочки твэла и при наличии барьерных слоев.
Для реализации толерантных оболочек предстоит:
- · отработать технологии нанесения коррозионностойких и износостойких покрытий на полноразмерные твэльные трубы (или твэлы) и снаряжения ТВС без нарушения целостности покрытия;
- · провести лицензионные испытания покрытых твэлов с учетом результатов реакторных испытаний работоспособности покрытий в условиях коррозии, ползучести и радиационного роста оболочек;
- · провести нейтронно-физическое обоснование нового топлива применительно к существующему дизайну реакторов;
- · оценить экономику всего цикла производства, хранения и переработки такого толерантного топлива.