Облучать и изучать: актуальные тенденции реакторного материаловедения

Практически все материалы для ядерной энергетики проходят испытания в Государственном научном центре «Научно-исследовательский институт атомных реакторов» (НИИАР). Об актуальных проблемах, результатах и задачах реакторного материаловедения можно узнать на конференции, которую институт проводит раз в пять лет. 12-я конференция, посвященная 60-летию материаловедческого комплекса НИИАР, состоялась в начале июля в Казани.

«Мы очень рады, что на наше приглашение откликнулись более 200 инженеров и ученых из разных стран, — ​сказал директор НИИАР Александр Тузов. — ​Общение для исследователей — ​та составляющая, без которой нет прогресса».

Он напомнил, что конференция проходит в год юбилея отделения реакторного материаловедения института.

Начальник этого отделения Елена Звир добавила: «Несмотря на непростую политическую обстановку, мы проводим международную конференцию. У нас 38 зарубежных участников. Гости из Белоруссии, Узбекистана, Кореи, но больше всего из КНР. У нас много контрактов с китайскими атомщиками на облучение их изделий в реакторах МИР.М1 и БОР‑60. Есть заказы на послереакторные исследования материалов и топливных элементов различных конструкций».

Доклад Александра Тузова был посвящен настоящему и будущему института в качестве ключевого предприятия отрасли по реакторному материаловедению.

Экспериментальная база НИИАР включает шесть исследовательских реакторов, крупнейшую в мире горячую лабораторию для послереакторных исследований, радиохимические лаборатории, опытное производство топлива и инфраструктуру для обращения с радиоактивными отходами.

«На площади 1 км2 есть все необходимое, чтобы изготовить, облучить, исследовать и утилизировать конструкционные материалы и ядерное топливо. Такой площадки в мире больше нет», — ​заключил Александр Тузов.

В НИИАР выполняют работы для обеспечения эксплуатации действующих и создания перспективных ядерных энергетических установок. Большое внимание уделяется развитию экспериментальной базы, включая строительство Многоцелевого быстрого исследовательского реактора, ­ МБИРа, и создание международного центра коллективного пользования для реакторных испытаний и послереакторных исследований топлива и материалов, разработки ядерных топливных циклов и радиационных технологий.

«Столь большого объема интересных задач, как сейчас, у нас давно не было. Атомная наука в России некоторое время находилась в стагнации, — ​признала Елена Звир, — ​а сегодня вы видите, каким широким фронтом идут исследования».

Огонь, вода и исследовательские реакторы

Заместитель директора и научный руководитель НИИАР Алексей Ижутов рассказал, какие исследования проводят в реакторах института.

МИР.М1 — ​основной «инструмент» обоснования инновационного топлива водо-водяных энергетических и транспортных установок. Его уникальность в том, что в разных режимах можно испытывать и полномасштабные твэлы, и изготовленные из облученных экспериментальные твэлы, оснащенные датчиками. В петле с паровым теплоносителем моделируют скачки мощности и аварии разных типов.

«Поставили десятки экспериментов для ВВЭР, сейчас подобные опыты проводим для реактора БРЕСТ, — ​сообщил Алексей Ижутов. — ​Твэл устанавливаем в ампулу со свинцом и смотрим, что с ним будет при двукратном увеличении мощности».

В высокопоточном реакторе CМ‑3 облучают материалы и топливные композиции для перспективного жидкосолевого реактора, закончилась четвертая серия ампульных экспериментов.

«Образцы загружаются в капсулу, наполненную жидкой солью с делящимся материалом, — ​объяснил Алексей Ижутов. — ​Нам важно получить коррозионные характеристики материалов и изучить изменение механических свойств. В этом году завершаем создание петлевой установки с естественной циркуляцией топливной соли».

Также в СМ‑3 при 600–1200 °C испытывают образцы графита для высокотемпературного газового реактора.

Быстрый реактор БОР‑60 — ​база для отработки технологий замыкания ядерного топливного цикла и проверки радиационной стойкости материалов реакторов четвертого поколения.

Сейчас на испытании 20 облучательных устройств. Срок лицензии БОР‑60 истекает в конце 2025 года, идет обоснование продления эксплуатации до 2028 года. К этому времени войдет в строй МБИР.

Задачи на перспективу

Топливный дивизион — ​основной заказчик исследований в реакторном материаловедении. Старший вице-президент ТВЭЛ по научно-­технической деятельности Александр Угрюмов перечислил ключевые задачи ученых.

Первая — ​совершенствование топлива реакторов ВВЭР. Топливные кампании на АЭС будут продлевать. Сейчас у большинства реакторов 18‑месячный цикл, нужно обосновать безопасную работу на 24 месяца. Продолжается масштабная программа по толерантному, то есть устойчивому к авариям, топливу. Еще есть программа «Маневр» — ​обоснование возможности эксплуатации блоков в режиме суточного маневрирования мощностью.

Вторая задача — ​улучшение топлива для перспективных быстрых реакторов с натриевым и свинцовым теплоносителем. Надо увеличить глубину выгорания — ​при сохранении надежности и безопасности, естественно. Это требует новых оболочечных сталей, способных выдержать повреждающие дозы до 200 сна.

И третья — ​замыкание топливного цикла. Регенерированный уран в реакторах РБМК уже используют, надо изучить возможность применения регенерата в ВВЭР. Есть отдельная программа научно-­исследовательских и опытно-­конструкторских работ по включению минорных актинидов в топливо для бридеров. Но основным дожигателем отходов должен стать жидкосолевой реактор.

Расширять базу

После облучения в исследовательских или в энергетических реакторах топливо и конструкционные материалы проходят полный цикл исследований механических и теплофизических свойств, изменений микроструктуры, элементного и фазового состава и т. д. Материаловедческий комплекс НИИАР — ​единственный в России и один из крупнейших в мире. В двух зданиях расположены тяжелые боксы и горячие камеры (две — ​огромные, выше 7 м). В них можно работать с полномасштабными топливными сборками реакторов всех типов.

«Необходимый минимум у нас есть, но мне, как руководителю, всегда мало. Хочется совершенствовать экспериментальную базу, чтобы решать новые задачи, — ​говорит Елена Звир. — ​Введение санкций ограничивает нас: сложное исследовательское оборудование мы раньше закупали на Западе. В России его не делают: нет, например, установок для электронно-­микроскопических исследований, измерения теплофизических параметров облученных высокоактивных материалов. Надо искать новых поставщиков или осваивать производство».

Пул зарубежных заказчиков реакторных исследований тоже меняется, появляются новые партнеры из дружественных стран, отмечает Елена Звир.

Ускоренная проверка

Первый заместитель гендиректора научного дивизиона «Росатома» Алексей Дуб отметил, что за прошедшие пять лет материаловедение поменялось технически и технологически. Появились методы ускоренных испытаний. Они уже применяются, чтобы отсеять неудачные варианты без длительных и дорогостоящих реакторных экспериментов.

Начальник лаборатории Центрального научно-­исследовательского института конструкционных материалов «Прометей» (входит в Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт») Борис Марголин рассказал об одном из таких методов — ​экспресс-оценке радиационной стойкости конструкционных материалов после облучения в ионном ускорителе.

«Скорость набора повреждающей дозы выше на порядки: на ускорителе мы за часы набираем столько же смещений на атом, сколько в реакторе БОР‑60 за месяцы», — ​подчеркнул ученый.

Конечно, ионное облучение в ускорителе не может в полной мере заменить нейтронное в реакторе. Но некоторые важные физико-­механические свойства определить можно.

«Метод позволяет создать мягкий рейтинг для отбора кандидатных материалов», — ​пояснил Борис Марголин.

Будущее — ​за цифровым материаловедением и технологией автоматизированного синтеза, когда новые материалы и изделия будут создаваться под управлением искусственного интеллекта, уверен Алексей Дуб. По его мнению, это случится уже в 2030‑е годы.