В реакторе БОР-60 испытали оболочки твэлов из карбида кремния

В Научно-исследовательском институте атомных реакторов (НИИАР) завершился первый цикл реакторных испытаний композитных оболочек твэлов из карбида кремния. Это один из самых перспективных конструкционных материалов для толерантного топлива. О последних новостях проекта и проблемах разработчиков — ​в нашем материале.

В рамках программы создания толерантного топлива в ТВЭЛ осваивают производство четырех вариантов инновационных твэлов из разных материалов. Но только оболочки из карбида кремния позволят не просто минимизировать риски, а полностью исключить пароциркониевую реакцию. Разработчики надеются, что с карбидокремниевыми твэлами отпадет необходимость в некоторых системах безопасности, и тогда строительство атомного блока станет дешевле. Они также могут увеличить эффективность реакторов за счет повышения выгорания топлива и продолжительности топливной кампании.

Карбид кремния (SiC) — ​самый перспективный, но и самый сложный вариант. Твэлы из этого материала не изготовить по технологии, отработанной годами на металлах, нужен совершенно новый метод. Над ним с 2014 года работают в Высокотехнологическом научно-исследовательском институте неорганических материалов им. Бочвара (ВНИИНМ). Ученые предложили такой способ: из карбидокремниевого волокна методом биаксиального и триаксиального плетения создается упрочняющий керамику волокнистый каркас, затем идет формирование матрицы методами жидкофазной и (или) газофазной пропитки, осаждение внешнего и внутреннего защитных слоев, герметизация твэла, установка концевых элементов, пайка.

Технологию во ВНИИНМ отрабатывают на опытном участке, пущенном в 2021 году. Сейчас специалисты изготавливают топливные оболочки из карбида кремния длиной 0,5 м, цель на будущее — ​4 м.

Одна из главных проблем — ​армирующие SiC-волокна в России никто не производит, а покупать их за рубежом все сложнее. «Мы осваиваем изготовление волокон на опытном участке, — ​рассказал Федор Макаров, главный эксперт материаловедческо-технологического отдела композиционных, магнитных и специальных материалов ВНИИНМ. — ​В конце прошлого года получили первые опытные образцы SiC-волокон из модифицированных прекурсоров. В последнее время много работали с концевыми элементами твэлов — ​заглушками. Их мы получали методами жидкофазного спекания и горячего прессования. Кроме того, делали металлические заглушки из разных сплавов: Э110, 42ХНМ и др. Пробовали наносить на заглушки защитные покрытия из хрома и того же карбида кремния. Все варианты исследовали на коррозию, на прочность, на совместимость материалов. Отдельная задача — ​подобрать припой, материал для соединения твэла с заглушкой. Специалисты ВНИИНМ пробуют припои на металлической и на стеклокерамической основе».

Реакторные испытания — ​главная новость проекта за последнее время. В БОР‑60 в НИИАР облучали SiC-волокна, оболочки из карбидокремниевого композита, заглушки из разных материалов, а также паяные элементы (часть твэла с заглушкой и припоем). Испытания проходили при температуре до 360 °С. «Эксперимент позволил в короткие сроки набрать оптимальную дозу, чтобы понять, как материал себя ведет под облучением, — ​объясняет Федор Макаров. — ​Эти данные очень важны для наших разработок. Помимо прочего, результаты используются для создания цифровой модели прототипа твэла».

К 2030 году специалисты ВНИИНМ должны научиться делать оптимизированные герметичные газонепроницаемые оболочки твэлов длиной до 1 м и провести комплекс дореакторных испытаний, проверить совместимость с ядерным топливом. Дальше — ​полноценные реакторные испытания, определение свойств модифицированных твэлов после облучения, изготовление и испытания полномасштабных, четырехметровых, твэлов.

«В Европе, США, Японии разрабатывать твэлы из карбида кремния начали раньше, в 1990‑е. Там уже получили четырехметровые оболочки и давно ведут реакторные исследования, — ​говорит Федор Макаров. — ​Нам нужно догонять конкурентов, масштабировать разработки. Для этого надо укрупнять лабораторию, оснащать оборудованием нового класса, расширять штат. В «Росатоме» есть разные программы финансирования научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Думаем, подаем заявки на инвестиции».

СПРАВКА

Карбид кремния — ​бинарное неорганическое химическое соединение кремния с углеродом. У материала множество достоинств: высокая коррозионная, радиационная и температурная стойкость (выдерживает до 1,8 тыс. °С), механическая прочность, износостойкость, высокая теплопроводность, низкое значение сечения захвата тепловых нейтронов. Но есть и серьезный недостаток — ​хрупкость. Преодолеть его пытаются армированием.