Повышаем выгорание: все, что вы хотели знать о нитридном топливе

В феврале Ростехнадзор выдал долгожданную лицензию на сооружение инновационного быстрого реактора со свинцовым теплоносителем БРЕСТ-ОД‑300. Готовы ли разработчики обеспечить его нитридным топливом? Отвечает Михаил Скупов — ​заместитель гендиректора ВНИИНМ, руководитель центра ответственности объединенного «прорывного» проекта «Разработка твэлов и ТВС со СНУП-топливом».

— Каковы главные результаты работ по СНУП-топливу за 2020 год?

— Главное — ​что мы вообще смогли удержаться в седле в сложном «ковидном» году. Экспериментальная работа шла очень тяжело, все переорганизовывали на ходу.

В последние несколько лет самое важное, что происходит с нитридом, — ​это реакторные испытания. В 2020 году мы начали ампульные испытания топлива в исследовательском реакторе ИВВ‑2М. Это очень интересный эксперимент. Специалисты НПО «Луч» и Института реакторных материалов, где и расположен ИВВ‑2М, спроектировали и изготовили специальные облучательные устройства и ампулы, оснащенные множеством датчиков онлайн-контроля температуры, давления газа, состава газа и других параметров. Во ВНИИНМ сделали топливные образцы. Облучение этих устройств с ампулами позволило исследовать микропроцессы в топливе. Это, прежде всего, необходимо для верификации механистических кодов нового поколения для проекта «Прорыв», которые разрабатывает ИБРАЭ РАН. Облучение заканчивается, в этом году мы рассчитываем получить все результаты.

По нашему заказу и с нашим участием ОКБМ завершило разработку облучательного устройства для БН‑600, которое позволит достичь предельных параметров эксплуатации твэлов непосредственно в активной зоне энергетического реактора. Главный элемент этого устройства — ​выемной контейнер, который специалисты ­Белоярской АЭС смогут переставлять из одной сборки в другую во время перегрузок топлива, оставляя его в активной зоне и при этом не создавая дополнительных рисков. Раньше такая методика применялась только для материаловедческих сборок.

По конструкционным материалам мы вышли на новый уровень реакторных данных по повреждающим дозам: на одной сборке достигли 145 сна, предыдущий этап исследований был на уровне 87 сна. В этом году запланировано изготовление материаловедческой сборки с обоснованием набора дозы до 169 сна.

На экспериментальных установках химико-металлургического завода СХК изготовлены три новые ЭТВС для ресурсных испытаний твэлов типа БРЕСТ. Мы модифицировали топливные таблетки: провели микролегирование, добавив компоненты, способствующие улучшению характеристик. Изменилась геометрия таблеток: помимо лунки появилась фаска. Эксперименты нацелены на повышение глубины выгорания нитридного топлива. Испытания начнутся в этом году.

В прошлом году мы выпустили технический проект твэла с нитридным топливом для реактора БРЕСТ-ОД‑300. Это итог промежуточный: мы не будем стоять на месте, усовершенствуем проект. Но на модуле фабрикации-рефабрикации СНУП-топлива, который создается на площадке СХК, будут ориентироваться пока на проект 2020 года.

— Всех волнует, смогут ли разработчики достичь необходимой глубины выгорания топлива — ​12 %. Какой максимальный показатель на сегодня?

— Для первой загрузки нам достаточно выгорания 6 % тяжелых атомов. В ходе экспериментов уже достигнуты 9 % при повреждающей дозе примерно 108 сна. Это была экспериментальная ТВС 11, мы ее держали в реакторе как можно дольше, для чего коллектив специалистов из разных организаций готовил многочисленные справки и расчеты обоснования безопасности. Сборка выгружена, охлаждается, скоро начнутся послереакторные исследования.

— Недавно принята комплексная программа РТТН. Какие работы по нитриду в нее вошли и какое значение для топливной части «Прорыва» она имеет?

— Все работы по повышению выгорания и усовершенствованию конструкционных материалов вошли в эту программу, то есть она стала логичным продолжением НИОКР в рамках ФЦП «Ядерные энерготехнологии нового поколения…». Одобрение программы правительством для нас очень значимое событие, это дает уверенность в том, что планы по развитию топлива и материалов будут обеспечены ресурсами.

— Какие результаты вы должны показать в 2024 году, когда будете отчитываться по программе РТТН?

— Мы должны обеспечить переход к рефабрикации топлива или по крайней мере готовность к этому переходу, к замыканию ядерного топливного цикла. Следовательно, нужно получить экспериментальные результаты для обоснования рефабрикации.

— Как дела с перспективными оболочечными материалами для нитридного топлива: ванадиевыми сплавами, дисперсно-упрочненными оксидами сталями?

— К сожалению, быстрых результатов мы не получили ни по ДУО-сталям, ни по ванадию. В следующем году планируем поставить на испытания в реактор экспериментальные твэльные трубы из ДУО-стали нового поколения, где будут уже устранены проблемы с анизотропией свойств, которые сегодня все еще есть.

— Расскажите об основных планах на 2021 год.

— Мы фактически полностью переключаемся на повышение выгорания. Эксперименты сложные, мы готовы к тому, что будут отрицательные результаты, потребуются дополнительные НИОКР.

Планируем испытания в реакторе МИР. Они нацелены на исследование процессов в топливе при отклонении от нормальных условий эксплуатации. Единичные твэлы будут испытываться на набор мощности по сценариям, которые характерны для проекта реакторной установки БРЕСТ.

Параллельно продолжим работы, обосновывающие надежность и эффективность штатного топлива для первой загрузки БРЕСТа. Скоро в БН‑600 будут помещены три очередные экспериментальные сборки, об изготовлении которых мы говорили выше.

— А разработка нитридного топлива для перспективного натриевого реактора БН‑1200 продолжается?

— Конечно. Работы по БН‑1200 сегодня ненамного меньше, чем по БРЕСТу. Разрабатывается активная зона реактора БН‑1200М на унифицированный типоразмер твэла для МОКС- и для СНУП-топлива. Создаются сами твэлы с нитридным и оксидным топливом единого типоразмера. В прошлом году разработаны технические проекты твэлов со СНУП-топливом для испытаний в БН‑600 усовершенствованных твэлов типа БН‑1200М.

В рамках «Прорыва» прорабатывается концепция промышленного энергокомплекса с быстрым реактором большой мощности, и ученые ориентируются в первую очередь на БН‑1200М. Окончательное решение не принято, но есть вероятность, что первые комплексы будут именно на основе БН‑1200М.