Леонид Карпюк: «Мы должны вывести на рынок толерантное топливо раньше конкурентов»

В январе в «Росатоме» начались испытания первых экспериментальных ТВС с толерантным топливом. Этому предшествовала большая научная работа, да и сейчас, на этапе испытаний, ученые остаются главными действующими лицами в проекте. О промежуточных итогах и новых идеях рассказывает Леонид Карпюк, генеральный директор ВНИИНМ им. Бочвара — головного разработчика ядерного топлива.

Текст: Кирилл Быстров / Фото: «Страна Росатом»

— Давайте напомним читателям, какие варианты толерантного топлива разрабатывают в «Росатоме».
— Основа концепции толерантного топлива — исключение пароциркониевой реакции. Для этого можно применить физический барьер и термодинамический. Физический барьер исключает контакт воды с цирконием. Один вариант — нанесение защитного покрытия на оболочку твэла, мы рассматривали разные хромсодержащие покрытия. Или радикальный способ — замена цирконийсодержащего сплава другим материалом, инертным к воде в условиях высокой температуры активной зоны. В качестве материала мы выбрали разработку ВНИИНМ — хром-никель-молибденовый бочваллой.
Термодинамический барьер — исключение возможности пароциркониевой реакции за счет того, что температура, при которой начинается реакция, 900 °C, не будет достигнута даже в нештатной ситуации. Этого можно добиться повышением теплопроводности топливной таблетки. В случае с диоксидом урана на поверхности оболочки твэла температура составляет 300–400 °C, а внутри таблетки — 1,5 тыс. °C. Градиент очень большой, как следствие, мы имеем запасенное тепло, которое может инициировать реакцию пара с цирконием. Плотное топливо с более высокой теплопроводностью такого градиента не дает, разница температуры не столь значительна. У плотного топлива есть и другое преимущество — повышенная ураноемкость. За счет этого гипотетически может быть увеличена топливная кампания, улучшены показатели активной зоны. А с применением циркониевых оболочек с покрытием или оболочек из других материалов повышенная ураноемкость поможет компенсировать потерю реактивности. Основные варианты плотного топлива — уран-молибденовый сплав и силицид урана. У ВНИИНМ уже были компетенции по уран-молибденовым сплавам, в первую часть программы по толерантному топливу был включен именно этот вариант. У данных сплавов ураноемкость в полтора раза выше, чем у штатного топлива с таблетками из диоксида урана, а максимальная температура не превышает 600 °C.
— Какой из этих вариантов наиболее проработан, а по каким еще предстоят длительные НИОКР?
— Из всех вариантов самым простым и быстрым для внедрения является нанесение защитного покрытия на оболочку твэла: не нужно менять конструкцию ТВС, а вмешательство в производство минимально. Хромовое покрытие также повышает коррозионную стойкость оболочек. Дополнительное преимущество — антидебризные свойства. Металлический хром, хром-алюминий и железо-хром-алюминий нанесли на образцы для коррозионных исследований в различных условиях. По итогу был выбран один материал. Называть его пока нельзя — коммерческая тайна.
Сплав бочваллой прошел коррозионные испытания, отработана технология сварки, определены другие свойства, принципиально важные для изготовления твэлов.
По уран-молибденовому топливу мы провели полный комплекс исследований: от разработки технологии получения сплава до определения параметров и свойств топливной таблетки.
В 2018 году были изготовлены экспериментальные твэлы с разными комбинациями оболочек и топлива — всего четыре варианта. Причем каждый в типоразмерах и для ВВЭР, и для PWR. В декабре изготовлены экспериментальные ТВС, а в январе этого года они загружены в исследовательский реактор МИР для трехгодичных реакторных испытаний.
Степень готовности у всех вариантов толерантного топлива одинаковая, но объем работы по внедрению их в производство потребуется разный.
— Есть ли еще варианты толерантного топлива, которые не входят пока в программу разработок «Росатома» по этому направлению, но кажутся вам перспективными?
— У нас в институте в рамках отдельного инвестпроекта идет разработка оболочек твэла из карбида кремния. Карбид кремния не реагирует с паром при температуре до 1,3 тыс. °C. При этом сечение захвата нейтронов у него меньше, чем у циркония. Но есть и ряд сложностей. Оболочка из карбида кремния обладает низкой пластичностью, не отработана технология герметизации. И главное — в России нет производства волокна из карбида кремния.
Определенный интерес вызывает плотное уран-силицидное топливо. Мы планируем провести НИОКР с выходом на дореакторные испытания таблеток в 2020 году.
Безусловно, потребуется совершенствование и модернизация тех видов толерантного топлива, которые попали в первую часть программы. Результаты реакторных испытаний могут внести коррективы в программу НИОКР по толерантному топливу.
— Наверняка вы следите за работами на эту тему в других странах. Какие достижения конкурентов впечатлили?
— Основные направления исследований идентичны. Мировые игроки делают ставку на хромовое покрытие твэлов как самый быстрореализуемый вариант. Более перспективными считаются оболочки из карбида кремния, но конкуренты анонсируют начало реакторных испытаний не раньше 2022 года.
— Есть ли шанс у «Росатома» вывести на рынок толерантное топливо раньше конкурентов? Или, если позже, представить продукт лучше, чем у зарубежных поставщиков?
— Мы должны вывести на рынок толерантное топливо раньше конкурентов. При этом оно должно быть и лучше, и эффективнее по экономике эксплуатации. Всего за год были разработаны новые виды топлива от идеи до экспериментальной сборки: мы начали в быстром темпе и намерены этот темп сохранить.