Энергия в шариках: каким будет топливо для высокотемпературных реакторов

Ученые «Росатома» отрабатывают технологию производства топлива для перспективных высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов (ВТГР). Институт Бочвара отвечает за тепловыделяющие элементы — ​микротвэлы. Эти сферические частицы диаметром меньше миллиметра — ​продукт высоких технологий.

В качестве концепции активной зоны ВТГР, который проектирует Опытное конструкторское бюро машиностроения им. Африкантова, принята призматическая конфигурация. Тепловыделяющая сборка представляет собой призму из графита высотой 800 мм с технологическими каналами для твэлов и теплоносителя.

Твэлы здесь — ​частицы, или керны, делящегося материала, защищенные керамическим покрытием типа TRISO (от англ. tristructural isotropic — ​«трехструктурное изотропное») — ​многослойной оболочкой из пироуглерода и карбида кремния. «Преимущество такого топлива — ​присущая ему внутренняя безопасность. Даже при достаточно высокой температуре с потерей теплоносителя, а это порядка 1,6 тыс. °C, микротопливо способно эффективно удерживать продукты деления внутри покрытий, — ​говорит Максим Юдин, главный специалист отдела топлива для быстрых газовых реакторов Бочваровского института. — ​Для изготовления кернов мы используем технологию, основанную на «мокрых» методах химии, которая сводит к минимуму образование пылевой фракции. Струю рабочего раствора делящегося материала, урана, мы разбиваем на моноразмерные капли и подаем в горячую хлорорганическую среду. При этом жидкости не смешиваются, и капельки раствора внутри горячей органики превращаются в сферические частицы. После промывки и термообработки на отобранные по размеру и форме керны наносят защитные покрытия. Получаются твэлы диаметром около 0,8 мм».

Микротвэлы смешивают с графитовым порошком, или пресс-композицией, и формируют топливные компакты — ​цилиндры высотой 50 мм и диаметром 12,5 мм. В каждом компакте ​порядка 4 тыс. микротвэлов. За технологию изготовления компактов отвечает НИИ НПО «Луч». При этом НИИ НПО «Луч» выступает головной организацией проекта высокотемпературного газоохлаждаемого реактора для атомной энерготехнологической станции.

Партию экспериментальных микротвэлов передали на реакторные испытания в Институт реакторных материалов и Государственный научный центр «Научно-исследовательский институт атомных реакторов». «Экспериментальные микротвэлы как россыпью, так и в составе топливных компактов уже отстояли полную топливную кампанию при штатных температурах, достигнув довольно глубокого выгорания — ​в среднем 12 % т. а., — ​отмечает Максим Юдин. — ​При этом они показали хорошую работоспособность, разгерметизации не произошло. И было решено испытать наши твэлы в аварийных условиях. Они выдержали несколько микрокампаний при 1,6 тыс. °C, а сейчас их проверяют уже при 1,7 тыс. °C».

Кстати

Институт Бочвара также занимается технологией переработки топлива ВТГР. Готова концепция головных операций — ​извлечения компактов из сборок и микротвэлов из компактов. Ученые предложили электрохимическую дезинтеграцию компактов. Компакт подключают как анод, в качестве электролита используют растворы азотной кислоты. Подается ток, и частицы графита отделяются от цилиндра. Технология позволяет не повредить микротвэлы и избежать выхода ядерных материалов в процессе переработки.