Национальная лаборатория "Pacific Northwest" (США) выпустила в сентябре 2020 года отчёт PNNL-30451 по тематике толерантного топлива (ATF).
Хотя отчёт был посвящён вопросам транспортировки ATF и хранения ОЯТ ATF, первая часть документа носит обзорный характер по двум видам ATF - с хромированными оболочками и оболочками из фехраля (FeCrAl).
Полный текст отчёта доступен в телеграм-канале RealAtomInfo. Ниже приводится краткое изложение некоторых глав отчёта, имеющих обзорный характер.
"Westinghouse". На ближайшую перспективу компания рассматривает два варианта топлива с хромированными оболочками - с таблетками из UO2 с добавкой Cr2O3+Al2O3 (ADOPT) и с таблетками из U3Si2.
Концепция хромирования оболочек была проверена на исследовательском реакторе MITR. Таблетки из U3Si2 испытывались на исследовательском реакторе ATR.
Опытная партия твэлов была загружена в активную зону реактора блока "Byron-2" в апреле 2019 года. В её состав входили 12 твэлов с хромированной оболочкой и стандартной таблеткой, 4 твэла со стандартной оболочкой и таблеткой с сегментированным U3Si2 и 4 твэла с хромированной оболочкой и таблеткой ADOPT.
Следующая опытная партия для испытаний в энергетическом реакторе в США будет загружена в 2022 году. К перечисленному выше набору добавятся твэлы с оболочками из карбида кремния.
Оболочки из фехраля компания "Westinghouse" не рассматривает.
"Framatome". На ближайшую перспективу компания рассматривает вариант с оболочкой из сплава M5 с хромовым покрытием и таблеткой из UO2 с добавкой Cr2O3.
Концепция была проверена на нескольких исследовательских реакторах, включая ATR и "Halden".
Опытная партия из 16 твэлов (хромовое покрытие и топливо с добавкой) была загружена на "Vogtle-2" весной 2019 года. Опытная партия из 32 твэлов (хромовое покрытие) была загружена на ANO-1 осенью 2019 года. Две полных сборки с ATF-топливом (покрытие и добавка) будут загружены на АЭС "Calvert Cliffs" весной 2021 года.
В 2022 году компания планирует поставить для загрузки на одну из АЭС опытные твэлы с оболочками из карбида кремния.
Оболочки из фехраля компания "Framatome" не рассматривает.
GNF. Совместно с "General Electric" компания рассматривает на ближайшую перспективу два варианта оболочек - ARMOR (циркониевый сплав с покрытием) и "IronClad" (фехраль).
Обе концепции были проверены в исследовательском реакторе ATR.
Опытные сборки, содержащие стержни-имитаторы с оболочками обоих видов были загружены на блоке "Hatch-1" в 2018 году. В феврале 2020 года сборки были выгружены, однако известно, что один опытный стержень останется в активной зоне ещё на две кампании. Результаты постреакторных исследований станут известны в январе 2021 года.
Опытные сборки с твэлами (уже не имитаторами!) с оболочками ARMOR и тремя вариантами "IronClad" были в начале 2020 года загружены на блоке "Clinton-1".
Япония. В этой стране изучаются оболочки из дисперсноупрочнённого фехраля FeCrAl-ODS (усиленный за счёт диспергирования мелких оксидных частиц) и из карбида кремния (SiC/SiC composite).
Испытаний в энергетических реакторах не ведётся. Образцы изучаются на установках в Окридже (США).
Китай. НИОКР по толерантному топливу проводит корпорация CGN. Рассматривается широкий ряд вариантов - циркониевые оболочки с покрытием, оболочки из фехраля, оболочки из молибдена с покрытием, оболочки из карбида кремния, топливные таблетки с повышенной теплопроводностью.
Проводятся внереакторные исследования теплофизических и механических свойств ATF. Планы по проведению реакторных экспериментов не обозначены.
Южная Корея. НИОКР по толерантному топливу проводят KAERI и KEPCO. Рассматриваются различные варианты оболочек - с хромовым покрытием, дисперсноупрочнённые, из карбида кремния, из сплавов на основе железа.
Фехраль рассматривается как один из вариантов покрытия циркониевых оболочек.
Также рассматриваются различные варианты топливных материалов - например, диоксид урана с добавками. Изучается даже вариант топлива TRISO-SiC composite. Ряд образцов оболочек и топлив прошёл реакторные испытания в Халдене.
ORNL. Нацлаборатория изучает ряд вариантов оболочек. В частности, большой объём оптимизационной работы в Окридже выполнен по фехралям.
По фехралям изучалось влияние содержания в сплаве хрома и алюминия, в том числе, с точки зрения влияния облучения на механические свойства сплава.
В лаборатории был разработан фехралевый сплав C26M. Он был использован компанией GNF в качестве одного из вариантов оболочки при испытаниях на "Hatch-1".
Известные данные по оболочкам с хромовым покрытием
В отчёте приводятся некоторые известные данные по испытываемым на АЭС США оболочкам с хромовым покрытием.
Следует отметить, что компания GNF не раскрывает состав своего покрытия ARMOR, но авторы отчёта относят его к хромовым покрытиям.
Как видно из таблицы, компания "Westinghouse" использует для нанесения хромового покрытия на твэльные трубы метод холодного распыления (cold spray).
Авторы отчёта характеризуют метод как относительно новый и привлекающий серьёзное внимание, так как он даёт возможность получить "уникальные свойства покрытия, недостижимые при обычном термическом напылении". Важно, что при нанесении покрытия материалы не подвергаются воздействию высоких температур, считают авторы.
В свою очередь, "Framatome" использует проверенную методику PVD (physical vapor deposition), сравнимую с магнетронным напылением.
В отчёте также приводятся некоторые данные по фехралевым сплавам, изучаемым компанией GNF в рамках программы по разработке толерантного топлива, а именно, Kanthal APMT, C26M и MA956.
Компания GNF не публикует данных о том, какие конкретно сплавы были выбраны для оболочек "IronClad".
Авторы отчёта приводят собственные данные. На "Hatch-1" два загруженных имитатора имели оболочки из C26M. На "Clinton-1" восемь твэлов имели оболочки из C26M, а 16 стержней-имитаторов имели разные оболочки (были задействованы все три сплава).
Из диаграммы выше можно заключить, что сплавы Kanthal APMT и MA956 могут быть подвержены α'-охрупчиванию, в то время как у сплава C26M нет известных проблем.
Напомним, что C26M был разработан в Окриджской национальной лаборатории. Сплав является предметом постоянных исследований для определения влияния малых легирующих добавок - иттрий, цирконий, цезий, углерод, марганец и другие.
Сплав C26M изготавливается методом традиционной плавки. Трубы из сплава C26M для реакторных испытаний были изготовлены на предприятии компании GNF в Уилмингтоне (штат Северная Каролина).
Сплав поддаётся сварке обычным методом TIG (вольфрамовые электроды в среде защитного инертного газа) без трещин, пористости или внутреннего окисления в сварном шве и без сенсибилизации сплава под действием процесса сварки.