Чем кормить «Лидера»: топливо для самого мощного в мире ледокола разработает ВНИИНМ

Самый мощный в мире ледокол «Лидер» будет крушить льды толщиной до 4,5 м. Чем «кормить» такого силача? За ответом «СР» отправилась во ВНИИНМ, где разрабатывают твэлы, стержни выгорающего поглотителя (СВП) и пусковые источники нейтронов (ПИН) для перспективного атомохода.

Сделать топливо для атомного ледокола — задача более сложная и ответственная, чем разработать твэлы для атомной станции. Из активной зоны энергетического реактора во время планового ремонта топливные сборки можно извлечь: посмотреть, есть ли поврежденные тепловыделяющие элементы, и в случае необходимости заменить их на новые. Активная зона транспортной реакторной установки (РУ) после загрузки топлива запечатывается и работает несколько лет. В случае с «Лидером» — 10 лет. Если что-то с твэлами пойдет не так, придется отменять назначенные проводки, отправлять атомоход на завод и менять всю активную зону. Цена ошибки — миллиарды рублей и бизнес-репутация.

Задачи и зоны

«Лидер» — ледокол следующего поколения после универсальных атомных ледоколов (УАЛ, головное судно серии — «Арктика»). Задачи у УАЛов и «Лидера» разные. Первые будут работать как на глубокой воде, так и на мелководье, в руслах сибирских рек. От этих судов требуется прежде всего маневренность. Основное качество, необходимое «Лидеру», — ​мощь. Планируется, что «Арктика» будет двигаться по двухметровому льду со скоростью два узла. «Лидер» же должен при постоянном движении с такой скоростью преодолевать льды толщиной не менее 4 м. Во льдах толщиной 2 м скорость постоянного хода — 12 узлов. «Лидеру» предстоят проводки крупнотоннажных судов, огромных танкеров и газовозов ледового класса, которые сейчас пользоваться Севморпутем не могут.

Энергоустановка «Лидера» будет состоять из двух водо-водяных реакторов РИТМ‑400. Они вдвое мощнее старшего брата, РИТМ‑200, спроектированного для УАЛов, в установках используют активные зоны разных типов. «Исходя из условий эксплуатации в реакторе УАЛов решено было сделать кассетную зону: она состоит из набора кассет с чехлами шестигранной формы, внутри которых размещают твэлы, — ​рассказывает Геннадий Кулаков, директор научно-исследовательского твэльно-топливного отделения ВНИИНМ. — ​В «Лидере» же будет канальная активная зона. Она состоит из системы каналов, по которым движется теплоноситель, твэлы вставляются в каналы». Кстати, канальные зоны использовались на атомоходах всех предыдущих поколений, кассетные впервые применили на ПЭБе «Академик Ломоносов», а затем на УАЛах.

Топлива «Лидеру» понадобится в 1,5 раза больше, чем «Арктике», поэтому высота активной зоны «Лидера» будет увеличена по сравнению с серийной ледокольной активной зоной. Для изготовления и контроля твэлов и СВП атомохода «Лидер» потребуется разработать новое технологическое оборудование.

Соблюдай дистанцию

Разные зоны — разные твэлы. Конструктивно топливные элементы УАЛа и «Лидера» существенно различаются. Твэлы в активной зоне надо разделять, чтобы исключить трение, вибрацию и обеспечить свободный проход теплоносителя. В кассетной зоне для этого используют дистанционирующие решетки. В канальной разделение обеспечивается самой формой твэлов — они и называются самодистанционирующимися.

«Наши твэлы должны работать долго, в очень жестких условиях. Высокий нейтронный поток, высокая температура в реакторе вызывают распухание ядерного топлива, а геометрия твэлов должна меняться минимально — нам важно обеспечить надежную работу ТВС, надежный теплоотвод, — ​говорит главный эксперт ВНИИНМ Александр Ватулин. — ​Поэтому мы разработали специальное компенсирующее устройство, которое вставляется в твэл и уменьшает давление топлива на оболочку».

Гарантия надежности

При разработке топлива для «Лидера» используют не только инновационные, но и проверенные временем решения. Композиция топлива не будет отличаться от той, что применяют на действующих ледоколах. В качестве конструкционного материала выбрали хромоникелевый сплав 42ХНМ — этот новый перспективный материал прошел апробацию в двух активных зонах на атомных ледоколах «Ямал» и «Вайгач».

Во ВНИИНМ разработаны методики обоснования надежности и безопасности топлива для ледоколов. «Активная зона эксплуатируется несколько лет. Конечно, у нас нет времени проводить реальные эксперименты: кто же будет ждать пять и более лет, пока мы облучаем твэлы в исследовательском реакторе? — говорит Александр Ватулин. — ​Нам приходится проводить ускоренные испытания, разрабатывать модели, которые помогают спрогнозировать поведение топлива в реальных условиях эксплуатации. Ошибок быть не должно — иначе финансовые и стратегические последствия будут плачевными».

Завод готовится

Помимо твэлов ВНИИНМ разрабатывает для «Лидера» стержни выгорающего поглотителя и пусковые источники нейтронов. СВП используются для компенсации избыточной реактивности на начальной стадии эксплуатации РУ. Они поглощают лишние нейтроны и полностью выгорают по мере эксплуатации. ПИНы обеспечивают контролируемый пуск реактора после длительных стоянок. Дополнительный источник нейтронов позволяет быстро вывести РУ на мощность.

Делать топливо и СВП для «Лидера» будут на Машиностроительном заводе в Электростали, ПИНы — в Обнинске, в ГНЦ РФ — ФЭИ. На МСЗ недавно введен в эксплуатацию новый корпус для изготовления топлива транспортных реакторов. «Сотрудники нашего отделения принимали участие в проектировании участков по изготовлению топлива и твэлов в новом корпусе на начальном этапе», — ​отметил начальник отдела ВНИИНМ Сергей Ершов.

Справка

Твэльно-топливное отделение ВНИИНМ разрабатывало тепловыделяющие элементы для всех отечественных атомных ледоколов — от «Ленина» до новейших судов проекта 22220. Здесь же создавали топливо для первого в мире плавучего энергоблока «Академик Ломоносов». Отделение отвечает также за разработку топлива для РУ военного назначения. Еще одно направление — топливо для исследовательских реакторов и атомных станций малой мощности (АСММ). Сейчас ВНИИНМ по заказу ОКБМ проектирует твэлы для АСММ с реактором РИТМ‑200, по заказу НИКИЭТ — для малой АЭС с РУ «Шельф-М». В начале 2000-х к отделению по наследству от Московского завода полиметаллов перешла разработка стержней выгорающего поглотителя и пусковых источников нейтронов для транспортных реакторов.