Как сделать ядерное топливо устойчивым к аварийным ситуациям

Налево пойдешь — дисилицид триурана найдешь, направо пойдешь — цирконий потеряешь, прямо пойдешь — к хромовому покрытию придешь. Специалисты ВНИИНМ им. Бочвара разрабатывают три варианта толерантного ядерного топлива, один из которых уже в следующем десятилетии может заменить традиционное.

ЧТО ЭТО?

Толерантное топливо — устойчивое к авариям (от англ. accident tolerant fuel). Термин возник после аварии на АЭС «Фукусима-1». Основная причина разрушения твэлов — пароциркониевая реакция, происходящая при температуре свыше 1,2 тыс. °C (условия аварии с потерей теплоносителя). Основная задача разработчиков толерантного топлива — исключить эту реакцию.

ПУТЬ 1. МЕНЯЕМ ТОПЛИВНУЮ КОМПОЗИЦИЮ

Ученые предлагают заменить традиционный диоксид урана на дисилицид триурана (U3Si2) — неорганическое химическое соединение урана с кремнием.

Преимущества

+ Более высокая по сравнению с диоксидом урана теплопроводность, как следствие — меньшее количество запасенного тепла и большее время нагрева до критической температуры, возможность быстро снижать температуру в активной зоне реактора для предотвращения пароциркониевой реакции.

+ Более высокие по сравнению с диоксидом плотность и ураноемкость позволяют продлить топливную кампанию.

+ Более высокая по сравнению с металлическим топливом коррозионная и радиационная стойкость.

Трудности разработки

— Хрупкость дисилицида: при производстве порошка образуются очень мелкие частицы угловатой формы, таблетки получаются пористыми. Это может быть причиной самовозгорания таких изделий на воздухе. Приходится делать порошок и таблетки в герметичных камерах, заполненных чистым аргоном или гелием.

— Возможно появление свободного металлического урана в сплаве, что понижает его коррозионную и радиационную стойкость. Нужно оптимизировать технологические литейные процессы, в частности подобрать оптимальный состав шихты и сплава.

— Производство дисилицидных таблеток сложнее, чем диоксидных, и дороже. Необходимо упростить и удешевить технологию.

Евгений Михеев
Начальник отдела технологий уранового топлива для реакторов ВВЭР, PWR и РБМК

— Самая трудная задача для разработчиков топлива на основе дисилицида урана — сделать технологию производства экономически эффективной. Существующая технология изготовления таблеток из дисилицида такова: надо сделать слиток из урана с кремнием, раздробить его, измельчить и методом порошковой металлургии изготовить таблетки. При изготовлении порошка диоксида урана слиток не нужен — сразу из гексафторида урана делается порошок. Чтобы производство дисилицидных таблеток не было слишком дорогим, стадию слитка нужно убрать из технологической цепочки. Этого еще никто в мире не делал.

ПУТЬ 2. МОДИФИЦИРУЕМ ЦИРКОНИЕВЫЕ ОБОЛОЧКИ

Для исключения пароциркониевой реакции можно наносить на циркониевые оболочки хромовое покрытие.

Преимущества

+ При нанесении покрытия существенно возрастает жаропрочность топливной оболочки.

+ Не придется кардинально менять технологию изготовления топливной оболочки — нужно просто добавить стадию нанесения покрытия.

Трудности разработки

— Покрытие должно быть очень тонким, всего 7–10 микронов, при этом химические методы нанесения исключены (они, в отличие от механических, неэкологичны). Метод высокоскоростного ионно-плазменного магнетронного распыления позволяет получить нужную толщину, но довольно дорог.

— При температуре от 900 °C хром и цирконий подплавляются, образуется жидкая эвтектика (смесь). После застывания она становится недостаточно коррозионно- и жаростойкой. Необходимо либо создать промежуточный слой между цирконием и хромом, либо ввести в хром добавки.

— Нужно добиться хорошего сцепления покрытия с материалом оболочки, подобрав подходящий метод и режим напыления.

Александр Маслов
Ведущий эксперт

— В отличие от зарубежных конкурентов, мы используем вертикальную схему нанесения покрытия, то есть изделия располагаются в вакуумной камере в вертикальном положении. Это дает возможность применить планетарные системы, в которые можно сразу загрузить до 100 и более оболочек твэлов, и обеспечивает высокую производительность. Кроме того, при вертикальном нанесении на изделия действует только направленная вдоль оси оболочки сила тяжести, которая при небольшой массе оболочек не деформирует их. Частицы наносимого покрытия, которые не осели на покрываемую оболочку твэла, за счет силы тяжести удаляются из зоны напыления и не оседают на изделии, не возникает дефектов в покрытии.

ПУТЬ 3. МЕНЯЕМ ЦИРКОНИЙ В ОБОЛОЧКАХ НА ДРУГОЙ МЕТАЛЛ

Во ВНИИНМ изучают возможность использования хромоникелевого сплава 42ХНМ для твэлов энергетических реакторов.

Преимущества

+ Нет циркония — нет проблемы пароциркониевой реакции.

+ Многолетний опыт эксплуатации материала в качестве оболочек твэлов транспортных реакторов.

+ Жаропрочность (до 1,2 тыс. °C).

+ Исключительная коррозионная стойкость в среде теплоносителя и высокая радиационная стойкость при температуре нормальной эксплуатации.

Трудности разработки

— Материал подвержен высокотемпературному радиационному охрупчиванию, нужно оптимизировать состав для минимизации эффекта.

— Длительная эксплуатация при высоких температурах приводит к потере радиационной стойкости.

— При использовании с металлическим топливом возможно образование легкоплавкой эвтектики.

Александр Голубничий
Научный сотрудник отделения конструкционных материалов для активных зон ядерных реакторов

— К 2024 году мы должны получить твэльные трубки из модифицированного сплава 42ХНМ, у которого характеристики будут выше, чем у того, что применяется для изготовления топлива транспортных реакторов. Наша главная задача — справиться с радиационным охрупчиванием материала при высокой температуре.