Материалы для полного замыкания: что такое МАКМ и почему за ними будущее

Атомной энергетике срочно нужны малоактивируемые конструкционные материалы, утверждает главный научный сотрудник ВНИИНМ, профессор НИЯУ «МИФИ» Вячеслав Чернов. Их применение на АЭС существенно повысит экономическую эффективность и радиационную безопасность энергоблоков, сократит эксплуатационные расходы и траты на обращение с ОЯТ и РАО. Аргументация ученого — в статье, подготовленной Вячеславом Черновым для «СР».

Если не более чем через 100 лет после выгрузки из реактора активность конструкционного материала (КМ) спадает настолько, что его можно переработать, то он малоактивируемый (МАКМ). Современные штатные материалы тепловых и быстрых ядерных реакторов — сильно активируемые. У них длительное время снижения послереакторной активности, поэтому они требуют долгого (более 1 тыс. лет) хранения для последующей переработки и использования. Еще один недостаток — они поглощают много нейтронов, снижая эффективность работы реакторов. У МАКМ поглощение нейтронов существенно ниже.

Стали нового поколения

Стратегия развития атомной энергетики в России предусматривает переход к замкнутому ядерному топливному циклу (ЗЯТЦ). Но топливо-то мы учимся перерабатывать, а с КМ почему-то ничего не решаем и не создаем соответствующих радиохимических технологий. В проектах быстрых реакторов четвертого поколения (БРЕСТ-ОД-300, БН-1200М) пока предусмотрено использование сильно и длительно активируемых КМ. Основной материал для активной зоны БРЕСТа — феррито-мартенситная сталь марки ЭП-823, рассчитанная на эксплуатацию в свинце. Для реактора БН-1200М выбрана также сильно и длительно активируемая аустенитная сталь с высоким содержанием никеля ЭК-164. Получается, что нет возможности реализации полного ЗЯТЦ (ПЗЯТЦ) за короткое время после облучения. В ПЗЯТЦ должны возвращаться в цикл облученные топливо и КМ. Для этого последние должны быть малоактивируемыми.

В России ВНИИНМ — единственный разработчик МАКМ. В рамках ФЦП «Ядерные энерготехнологии нового поколения» во ВНИИНМ разработана малоактивируемая ферритно-мартенситная 12%-я хромистая сталь для быстрых реакторов ЭК-181 (RUSFER-EK-181). Она практически ничем не уступает штатным ферритно-мартенситным сталям для быстрых реакторов, но требует более высокотехнологичных методов получения и переработки. Сталь ЭК-181 не уступает и европейскому аналогу — EUROFER-97. Она промышленно освоена и готова к применению.

ЭК-181 подходит для быстрых реакторов третьего поколения типа БН-600 и БН-800. Для четвертого поколения реакторных установок эту сталь необходимо дорабатывать: в БРЕСТ-ОД-300 и БН-1200М радиационная нагрузка почти в два раза выше. Учитывая планируемые темпы развития быстрой атомной энергетики, модификацию ЭК-181 нужно проводить уже сейчас.

Кроме того, во ВНИИНМ предложена для реакторного применения малоактивируемая немагнитная аустенитная марганцевая сталь. Она особенно перспективна для термоядерных реакторов.

Преимущества ванадия

Для быстрых реакторов во ВНИИНМ также разрабатываются высокотехнологические малоактивируемые сплавы ванадия. Они значительно лучше имеющихся штатных ферритно-мартенситных сталей и по функциональным свойствам (жаропрочности, коррозионной стойкости и др.). Во ВНИИНМ создан сплав ванадия ВМ-ДПЧ-9 (V-4Ti-4Cr), разработаны требования и технические условия на полуфабрикаты из него: слитки, трубные заготовки, трубы, пластины и т.д. Технологии защищены патентами. Создано уникальное, единственное в России опытное производство слитков сплава ванадия V-4Ti-4Cr и получены слитки весом до 110 кг.

Но для быстрых реакторов нового поколения, топливные кампании которых рассчитаны на пять-шесть лет, нужны сплавы ванадия нового поколения. НИОКР уже начались, они ведутся в рамках комплексной программы РТТН.

Опытное производство слитков из ванадиевых сплавов в институте есть, но его надо модернизировать. Необходимы новые металлургические печи, чтобы получать более крупные слитки, хотя бы 150–200 кг, нужно металлообрабатывающее оборудование для их переработки в полуфабрикаты и изделия. Есть проблемы с высокодозными реакторными испытаниями сплавов ванадия из-за ограниченности экспериментальных объемов на реакторах БН-600 и БН-800. Сейчас все занято сталями. Есть надежда, что испытания можно будет провести на реакторе МБИР, который сейчас строят на площадке НИИАР.

Пожиратели нейтронов

Сплавы ванадия весьма перспективны и для термоядерной энергетики. Изначально планировалось для первой стенки международного термоядерного реактора ИТЭР использовать именно малоактивируемый сплав V-4Ti-4Cr. Сплав разрабатывался одновременно в США, Японии и России. В России результатом работ стал сплав ВМ-ДПЧ-9. Но для ИТЭР нужны тысячи тонн металла. На тот момент никто не мог выплавить столько ванадиевого сплава. В проекте решили использовать высокоактивируемую аустенитную нержавеющую сталь.

Для перспективных термоядерных реакторов никакие материалы, кроме малоактивируемых, даже не обсуждаются. Сейчас в России нет и не планируется проектов чисто термоядерных реакторов. Разрабатываются только гибридные установки (объединение реакторов деления и синтеза). В них использование МАКМ пока также не предусмотрено. Но, по моему мнению, НИОКР по малоактивируемым КМ для термоядерных демонстрационных реакторов и гибридных реакторов должны быть.

За рубежом — в Японии, США, Корее — идут разработки малоактивируемых сплавов циркония для тепловых реакторов. У нас в стране в этой области пока ничего не делается. Для разработки и создания МАКМ во ВНИИНМ все есть: технологические и материаловедческие наработки, опытное производство. Любой КМ во ВНИИНМ может быть доведен до ума за 10–15 лет.