Нитрид в реакторах и лабораториях: будущее инновационного топлива

Этой осенью стартовал новый этап реакторных испытаний твэлов с инновационным нитридным топливом. Михаил Скупов — заместитель гендиректора ВНИИНМ, руководитель центра ответственности объединенного «прорывного» проекта «Разработка твэлов и ТВС со СНУП- топливом» — объясняет, почему это важно и какие планы у создателей топлива для реакторов будущего.

Сборки в активной зоне

В начале октября на Сибирском химкомбинате изготовили три экспериментальные топливные сборки, которые содержат твэлы со смешанным нитридным уран-плутониевым (СНУП) топливом в типоразмере БН‑1200М. Их предполагается в ближайшее время поставить на испытания в реактор БН‑600 на Белоярской АЭС. Эти твэлы интересны тем, что типоразмер оболочки унифицирован как для СНУП-, так и для МОКС-топлива. Напомню, пока не решено, какой из этих видов инновационного топлива будет применяться в активной зоне первого коммерческого быстрого натриевого реактора. Единый типоразмер для разных видов топлива дает определенную гибкость с точки зрения производства.

Мы загрузили в БН‑600 экспериментальные облучательные сборки, которые позволят испытывать твэлы с нитридным топливом до предельных расчетных параметров. Сборки содержат выемной контейнер. Когда ТВС выработала свой ресурс, контейнер с экспериментальными твэлами переставляют в новую, и испытания продолжаются. Твэлы в контейнере находятся в охранных капсулах, фактически это двойная оболочка. Такая конструкция снижает риски при испытаниях. Результаты этих испытаний мы увидим только через несколько лет.

Также стартовали испытания новой материаловедческой сборки МС‑2-ФМ. В ней находятся образцы новых материалов для перспективных активных зон быстрых реакторов. Мы рассчитываем впервые достичь повреждающей дозы 169 сна. На предыдущем этапе испытания образцов в реакторе максимально достигали 145 сна. Сейчас разрабатываются решения, которые позволят продлить испытания и получить данные по свойствам новых материалов при воздействии повреждающей дозы свыше 169 сна. Необходимо все это для того, чтобы обосновать максимальное выгорание топлива, а значит, создать предпосылки для наибольшей экономической эффективности его использования.

Для первой загрузки

Техпроект твэла для первой загрузки свинцового реактора БРЕСТ-ОД‑300 готов. Пока реактор строится, продолжается дополнительное обоснование по замечаниям Ростехнадзора. Обоснованность техпроекта прежде всего определяется экспериментальными данными и наличием аттестованных кодов, которые верифицированы по результатам испытаний. Сегодня проектный код «КОРАТ-Конструктор» подан на аттестацию. В поддержку исследований и проектирования недавно аттестованы коды БЕРКУТ и РАКОН.

Обосновать топливо для БРЕСТа весьма непросто из-за отсутствия экспериментальных реакторных установок со свинцовым теплоносителем. Есть, правда, экспериментальные стенды для испытаний макетов и твэлов в свинце в ФЭИ, ИРМ, НИКИЭТ. Есть методики испытаний в ампулах со свинцом. Есть варианты создания свинцовых петлевых каналов в исследовательских реакторах, например в ИИАР. Сегодня задействованы все возможности для получения необходимых данных.

Что касается твэлов с нитридом для первой загрузки БН‑1200М, в прошлом году был выпущен техпроект твэла в первой редакции. Продолжаются работы по обоснованию твэлов с МОКС-топливом с воспроизводящей прослойкой: чтобы снизить максимальную повреждающую дозу на оболочке твэла, реализуется идея сделать в центре активной зоны прослойку из обедненного урана.

Из необычного для разработчиков топлива: стоит задача исследовать поведение нитридного топлива при экстремально высокой температуре (до 3 тыс. °C). Необходимо получить данные для исследования сценариев запроектной аварии. Первый этап исследований проведет НИИ НПО «Луч» — на урановом топливе. ВНИИНМ совместно с МИФИ создает установку для второго этапа испытаний — на уран-плутониевом. Установка будет создана в этом году, в следующем мы рассчитываем выполнить серию испытаний.

Жидкометаллический подслой

Оболочки твэлов и ТВС для первых загрузок реактора БРЕСТ-ОД‑300 будут сделаны из ферритно-мартенситной стали ЭП823-Ш. Для достижения перспективных параметров продолжается разработка новых материалов, стойких в свинце, — дисперсно-упрочненных оксидами сталей с повышенным содержанием алюминия и проч. Однако это не решит проблему жесткого механического взаимодействия топлива и оболочки в конце кампании и при переходных режимах.

Есть другой вариант — твэлы из той же ЭП823-Ш, но с жидким металлическим подслоем вместо гелия. Это позволяет снизить температуру топлива и скорость его распухания, увеличить зазор между топливом и оболочкой и тем самым исключить жесткое механическое взаимодействие. Вариант твэла с жидкометаллическим подслоем был отложен ранее из-за трудностей с технологическим освоением и недоработанностью состава подслоя. Сегодня есть предпосылки для решения этих вопросов.

Так как для БРЕСТ-ОД‑300 теплоносителем выбран свинец, для материала жидкометаллического подслоя в твэлах для этого реактора прежде всего рассматривали также свинец. Но оказалось, что свинцовый подслой обладает двумя большими недостатками. Во-первых, он нетехнологичен в производстве: жидкий свинец плохо смачивает стальную оболочку и топливо, что приводит к образованию несплошностей. А во‑вторых, при эксплуатации твэлов со свинцовым подслоем наблюдается массоперенос материала оболочки из горячих областей твэла в более холодные, что приводит к утонению оболочки и снижению ее ресурса.

Сейчас в качестве материала жидкометаллического подслоя рассматриваем легированные сплавы свинца и сплавы системы свинец-натрий, разработанные совместно с НИЯУ «МИФИ». В последние три года проведен комплекс исследований свойств таких сплавов. Как показали внереакторные эксперименты, легирование свинца натрием значительно снижает вязкость сплавов, что повышает их технологичность, и понижает растворимость компонентов стальной оболочки в сплаве, что, в свою очередь, снижает массоперенос и утонение оболочки при работе твэла.

Во ВНИИНМ отработали упрощенные технологические способы изготовления твэлов с жидкометаллическим подслоем. В этом году изготовили очередные два твэла с жидкометаллическим подслоем. В этот раз подслой выполнен именно из эвтектического сплава системы свинец-натрий. Сейчас твэлы переданы на облучение в реактор БОР‑60. При помощи комбинации различных технических решений мы рассчитываем достичь прорывных результатов в области разработки твэлов уже к концу этого десятилетия.