Разработано топливо для первой загрузки реактора БРЕСТ-300

Каков максимум глубины выгорания для нитридно­го топлива, почему для твэлов коммерческих реак­торов нужны новые материалы и может ли жидкий металл внутри оболочки повысить ее безопасность? Об итогах и задачах в разработке нитрида — Михаил Скупов, заместитель гендиректора ВНИИНМ, руко­водитель центра ответственности объединенного проекта «Разработка твэлов и ТВС со СНУП-топли­вом» проектного направления «Прорыв».

Топливо для первой загрузки реактора БРЕСТ-ОД‑300 разработано. Есть технический проект твэла, рассчитанного на глубину выгорания 6 %. Я не рискну назвать его полностью обоснованным и в то же время не рискну назвать его не обоснованным. Конструктивно твэлы и ТВС, которые мы исследовали в БН‑600, отличаются от тех, которые поставят в БРЕСТ. Ведь в новом реакторе будут другие условия работы активной зоны, другая геометрия, другой теплоноситель. Мы не можем испытать твэлы в свинцовом теплоносителе — ​таких установок в мире просто нет. Есть вариант создать автономный канал со свинцовым теплоносителем в исследовательском реакторе БОР‑60. Мы уже провели подготовительную работу, но пока надеемся, что для обоснования нам будет достаточно испытаний на свинцовых стендах.

Первая загрузка

Для первой загрузки БН‑1200М тоже почти все готово: есть техническое задание на активную зону, на твэлы и технический проект этих твэлов, над которым мы работали весь прошлый год. Эти документы еще предстоит доработать, потому что ­опять-таки требуется дополнительное реакторное обоснование. Данных с БН‑600 много, но ресурсных испытаний твэлов именно той конструкции, которая нужна для БН‑1200, пока не проводилось. Напомню, что в проекте принята унифицированная конструкция с единым диаметром твэлов как для нитридного, так и для оксидного топлива. Это создает определенную гибкость в принятии решения, чем «кормить» реактор: нитридом или МОКСом.

В этом году запланировано изготовление очередной партии экспериментальных сборок, у них будет конструктив как раз для реактора БН‑1200М. Для нас, конечно, с точки зрения обоснования топлива очень важен старт испытаний вот этих сборок.

Модуль фабрикации-рефабрикации смешанного нитридного уран-плутониевого (СНУП) топлива уже построен, идет монтаж оборудования. Главенствует на площадке сейчас эксплуатирующая организация, мы весьма ограниченно уже участвуем. Документация оформляется очень интенсивно, и здесь основная нагрузка ложится на специалистов Сибирского химкомбината. Ну и на производителей оборудования. Наша задача — ​научно-техническое сопровождение. Горячая пора для ученых снова настанет, когда начнется запуск МФР. Объект инновационный, мы готовы к тому, что при пуске будут возникать проблемы, и эти проблемы будут решаться всем миром, включая, естественно, нас.

Дойти до предела

Главным итогом НИОКР прошлого года по нитриду я считаю изготовление облучательных сборок для испытаний в БН‑600 твэлов со СНУП-топливом до предельных параметров. Мы сможем достичь большей глубины выгорания, чем в прошлых испытаниях. Хочу сделать акцент на преимуществах испытаний новых материалов в энергетическом реакторе БН‑600. В исследовательской установке БОР‑60 существенно меньше скорость набора дозы, а значит, облучать твэлы приходится гораздо дольше.

Немного о конструкции инновационных экспериментальных ТВС. В них есть место под выемной контейнер, рассчитанный на гораздо более длительный ресурс, чем сами сборки. Когда срок эксплуатации одной сборки подходит к концу, мы переставляем контейнер с твэлами в другую и продолжаем его облучать. По сути, мы создали не просто испытательное устройство, а новую методику испытаний топлива.

Под предельными параметрами мы подразумеваем повреждающую дозу 125 сна. Эта величина на сегодняшний день обоснована расчетно. Возможно, в будущем мы сможем обосновать и большую повреждающую дозу.

Еще хочу отметить, что оснастку для новых экспериментальных ТВС мы частично сделали у себя во ВНИИНМ. В идеале мы должны достичь такого состояния, когда любые экспериментальные твэлы испытываются в оснастке, которую мы сами способны полностью изготовить. Тогда мы не будем зависеть от многочисленных предприятий-партнеров, это существенно ускорит проведение экспериментальных работ. Скорость получения результата — ​пожалуй, самый важный фактор в процессе обоснования топлива, потому что процесс очень долгий.

Материальные перспективы

Уже ведем разработку топлива для перспективного свинцового реактора большой мощности БР‑1200. Основная задача — ​экономическая оптимизация. Коммерческий реактор должен быть ориентирован в первую очередь на экономическую целесообразность.

Материалы, которые мы используем для БРЕСТ-ОД‑300, для коммерческого БР‑1200 не годятся: они неоптимальны с точки зрения экономики. Разрабатываются новые. Весной в БН‑600 начнутся испытания материаловедческих сборок с перспективными материалами. Это новые марки феррито-мартенситных сталей, дисперсно-упрочненных оксидами, а также ванадиевые сплавы. Им предстоит набрать повреждающую дозу уже в 169 сна. Напомню, что дисперсное упрочнение сталей или добавление ванадия дает преимущество в жаропрочности, а значит, у твэлов и ТВС из них теоретически будет выше ресурс. Лично я большие надежды возлагаю на стали с большим содержанием алюминия. Но эта идея нуждается в глубокой проработке.

При достижении глубины выгорания 9–10 % понадобятся комплексные решения. К таким относится, например, введение жидкометаллического подслоя. Представьте: внутри твэла помимо таблеток находится еще и жидкий металл, например легированный свинец. Задача этого подслоя — ​снизить температуру топлива. Снижая температуру топлива, мы снижаем распухание. Также благодаря высокой теплопроводности жидкометаллического подслоя у нас появляется возможность увеличить зазор между топливом и оболочкой. И, увеличивая его, мы отодвигаем время жесткого контакта топлива с оболочкой. Идея не нова, такие твэлы мы уже делали и испытывали, но нужны еще исследования, чтобы их оптимизировать. Сейчас совместно с МИФИ их ведем.