«Росатом» создаст цех по производству и исследованию твэлов из карбида кремния

ВНИИНМ им. Бочвара — ​один из самых неугомонных ровесников отрасли: ученые института постоянно запускают новые направления. В год 75-летия атомпрома рассказываем об инновационных разработках, которые формируют профиль института в XXI веке. Первая серия — ​разработка твэлов из карбида кремния, или история о том, как Институт неорганических материалов взялся за органику.

ЧТО ЭТО?

Карбид кремния — ​бинарное неорганическое химическое соединение кремния с углеродом. Химическая формула SiC. Для изготовления экспериментальных топливных оболочек во ВНИИНМ используют не чистую керамику, а многослойный композит SiC-SiC: карбидокремниевую матрицу формируют осаждением на плетеные волокна из того же карбида кремния.

ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

• Авиация (лопасти, камеры сгорания, термозащита)

• Оборонно-промышленный комплекс (бронеэлементы)

• Автомобильная промышленность (дисковые тормоза для спортивных автомобилей)

• Электроника (высоковольтные диоды, транзисторы, тиристоры)

• Астрономия (зеркала в телескопах)

ТАЙМЛАЙН РАЗРАБОТКИ

2014–2015 годы

Инициативные экспериментальные работы во ВНИИНМ, результаты которых позволили сформировать концепцию толерантного топлива с оболочками из карбида кремния.

2016–2020 годы

Работы в рамках инвестиционных мероприятий за счет собственных средств ВНИИНМ. Освоены технологии получения карбидокремниевого волокна первого поколения, плетения волокнистого каркаса, создания керамических защитных слоев, герметизации твэлов. Результат — ​герметизированные оболочки твэлов нового поколения длиной 50 см из композита SiC-SiC. В 2020 году будет создан цех по производству и исследованию твэлов из карбида кремния.

2021–2023 годы 

Совершенствование технологии, дореакторные исследования герметизированных оболочек из композита SiC-SiC, изготовление экспериментальных твэлов.

2023 год 

Начало реакторных исследований.

2027–2030 годы

Внедрение в промышленность.

СВОЙСТВА КАРБИДА КРЕМНИЯ

Плюсы для атомпрома

+ Топливные оболочки из композита на основе SiC-SiC полностью исключают пароциркониевую реакцию

+ Высокая температурная стойкость (выдерживает до 1,8 тыс. °C)

+ Высокая механическая прочность

+ Износостойкость

+ Высокая теплопроводность

+ Высокая коррозионная стойкость

+ Высокая радиационная стойкость

+ Низкое сечение захвата тепловых нейтронов

Минусы для атомпрома

– Хрупкость

Решение: армирование. Методом биаксиального и триаксиального плетения создается упрочняющий керамику волокнистый каркас, вокруг которого методами жидкофазной и газофазной пропитки формируется прочная матрица будущего композита.

– Невысокая термостабильность армирующего материала первого поколения

Решение: повышение чистоты материала. ВНИИНМ совместно с «Ростехом» создает уже третье поколение волокна карбида кремния, в котором примесей будет не более 0,2 %.

СТАДИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБОЛОЧКИ ТВЭЛА ИЗ SiC-SiC

• Получение волокна
• Плетение волокнистого каркаса
• Пропитка каркаса суспензией из порошков карбида кремния
• Формирование матрицы
• Осаждение внешнего и внутреннего защитного слоя из газовой фазы
• Герметизация твэла, установка заглушек, пайка

Александр Пономаренко
Инженер-технолог первой категории, ВНИИНМ

— Мы разрабатываем экспериментальные образцы оболочек твэлов из карбида кремния нового поколения взамен современных циркониевых. Сейчас мы умеем делать оболочки длиной 0,5 м. Разрабатываем параллельно несколько технологий изготовления, потом выберем лучшую. Главной проблемой на первом этапе НИОКР было отсутствие в нашей стране производства волокна из карбида кремния. Это материал двойного назначения, изобретенный в Японии. Совместно со специалистами из США японцы построили два завода: по производству волокна и изделий. Но в Россию эту продукцию не продают. ВНИИНМ совместно с «Ростехом» научились делать отечественное сырье. Пока первого поколения, но уже в этом году начнутся эксперименты по получению материалов второго и третьего поколения.

В рамках программы по созданию толерантного топлива в ТВЭЛ разрабатывают четыре варианта твэлов. Но только карбид кремния способен не просто минимизировать риски, а полностью исключить пароциркониевую реакцию на АЭС. Кроме того, использование оболочек из карбида кремния позволит повысить выгорание топлива или продолжительность топливной кампании, повысив тем самым КПД современных реакторов. Есть вероятность, что при внедрении карбидокремниевых твэлов отпадет необходимость в некоторых системах безопасности, и тогда строить блоки АЭС станет дешевле.

Алексей Глебов
Начальник материаловедческо-технологического отдела композиционных, магнитных и специальных материалов, руководитель проекта, ВНИИНМ

— Наши специалисты создали впервые в стране опытные образцы SiC-волокна, разработали технологию пайки изделий на основе карбида кремния. В настоящий момент создается участок для изготовления экспериментальных изделий на основе карбида кремния, который включает в себя парк уникального оборудования, изготовленного в единственном экземпляре под цели применения SiC в атомной промышленности.

Развитие направления по разработке изделий на основе органических соединений в Институте неорганических материалов позволяет сделать большой шаг вперед и отвечает современным тенденциям диверсификации стандартного портфеля проектов. Благодаря работе по этому направлению мы не только развили свои компетенции, но и готовы брать на себя решение задач отрасли в части развития применения композиционных материалов любой сложности.

Несомненно, мы столкнемся со множеством трудностей, так как материал, карбид кремния, непростой и достаточно капризный. Однако, оглядываясь назад и смотря, через какие трудности нам пришлось пройти за последние семь лет, я понимаю, что команда, которая занимается разработкой этого направления, справится с любой задачей.