Все дело в сборке

Все страны, занимающие первые позиции в ядерной науке и технологиях, начинали с создания исследовательских реакторов (ИР). У таких реакторов нет единого стандарта топлива. Одним нужны мощные потоки нейтронов для изучения материалов, другим — условия для наработки радиоизотопов или проведения физических экспериментов. За каждой тепловыделяющей сборкой (ТВС) стоит отдельное инженерное решение.

По геометрии твэлы исследовательских реакторов делят на трубчатые, пластинчатые и стержневые. Но форма — только видимая часть сложного инженерного решения. При разработке топлива под задачи конкретной установки необходимо увязать топливную композицию, конструкционные материалы, технологию изготовления, условия теплоотвода и будущие режимы эксплуатации.

Трубчатые твэлы с дисперсионным топливом применяют в бассейновых и канальных ИР российского дизайна на тепловых нейтронах. Новосибирский завод химконцентратов (НЗХК) изготавливает их по промышленно освоенной экструзионной технологии. ТВС с такими твэлами имеют многолетний опыт эксплуатации на российских и зарубежных исследовательских реакторах и остаются востребованными в новых проектах.

История вопроса

Первый в мире исследовательский реактор (СР-1 в США) достиг критичности в 1942 году. Первый в нашей стране реактор Ф-1 был запущен 25 декабря 1946 года на территории Лаборатории №2 Академии наук СССР (сегодня Курчатовский институт). В 1950–1960-е годы количество этих установок в мире быстро росло и достигло максимума к середине 1970-х. Всего было построено более 800 ИР в 67 странах.  Крупнейшие парки находятся в России, США, Европе и Китае. По данным МАГАТЭ, на начало 2026 года в мире насчитывается 228 действующих и 7 временно остановленных исследовательских реакторов.

Проверенную десятилетиями конструкцию можно адаптировать под конкретную установку. Показательный пример — первый исследовательский реактор Боливии RB-01, сооружаемый на высоте 4 тыс. м. Для установки модифицировали штатную конструкцию ТВС ВВР-М2 с учетом пониженного атмосферного давления, повышенной сейсмической активности площадки и требования о непрерывной эксплуатации в активной зоне в течение 30 лет. В 2024 году НЗХК изготовил партию модифицированных ТВС ВВР-М2 для первоначальной загрузки реактора.

За созданием таких сборок стоит кооперация сразу нескольких предприятий атомной отрасли. Главным конструктором ТВС выступает Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники им. Доллежаля, главным конструктором-технологом твэлов — Институт Бочвара. НЗХК изготавливает твэлы и ТВС. Для экспериментального обоснования разработок привлекается опытное конструкторское бюро «Гидропресс».

Для ТВС ИРТ-4М, используемых в исследовательских реакторах Чехии и Узбекистана, выбраны другие модификации. Первая — с увеличением загрузки урана в штатной диоксидной топливной композиции. Вторая — с урансилицидной топливной композицией. В настоящий момент оба варианта испытывают в реакторе ВВР-СМ в Институте ядерной физики Академии наук Узбекистана. Возможность применения урансилицидной топливной композиции прорабатывается и для ТВС ВВР-КН, используемых в исследовательском реакторе в Институте ядерной физики Казахстана.

Еще один вариант — пластинчатые твэлы, которые применяют в ИР зарубежного дизайна. Для данного направления НЗХК отработал прокатную технологию изготовления с урансилицидной топливной композицией.

Стержневые твэлы требуют другой производственной технологии. Машиностроительный завод (МСЗ) обладает компетенциями по изготовлению ТВС со стержневыми твэлами крестообразного сечения для высокопоточных исследовательских реакторов — ПИК в Петербургском институте ядерной физики им. Константинова и СМ-3 в институте «Росатома» в Димитровграде.

Компетенции МСЗ востребованы и в других проектах: предприятие изготавливает комплектующие ТВС для строящегося Многоцелевого быстрого исследовательского реактора (МБИР) в институте «Росатома» в Димитровграде и импульсного реактора ИБР-2 в Объединенном институте ядерных исследований.

В случае ИБР-2 производственная цепочка продолжается на Сибирском химическом комбинате (СХК). В 2027 году СХК впервые изготовит партию ТВС с топливом на основе диоксида плутония для полной перегрузки реактора.

Именно разнообразие исследовательских задач определяет разнообразие топлива. Универсальной ТВС для ИР не существует, а прежде чем новая сборка попадет в активную зону, каждое техническое решение проходит путь от расчетов и экспериментов до отработки технологии изготовления.

Научная четверка

ПИК — высокопоточный исследовательский реактор Петербургского института ядерной физики им. Константинова в Гатчине.

Тепловая мощность — 100 МВт.

Особенности: один из наиболее интенсивных источников нейтронов в мире. На выведенных нейтронных пучках может работать до 50 экспериментальных станций.

Сфера применения: фундаментальные и прикладные исследования в ядерной физике, материаловедении и биофизике, производство изотопов.

СМ-3 — высокопоточный исследовательский реактор института «Росатома» в Димитровграде.

Тепловая мощность — 100 МВт.

Особенности: отличается очень высокой плотностью потока нейтронов.

Сфера применения: реакторные исследования, получение радионуклидов и трансплутониевых элементов, в том числе материалов для экспериментов по синтезу новых химических элементов.

ИБР-2 — импульсный исследовательский реактор Объединенного института ядерных исследований в Дубне.

Средняя тепловая мощность — 2 МВт. Мощность в импульсе достигает 1850 МВт.

Особенности: один из самых мощных в мире импульсных источников нейтронов. Короткие интенсивные импульсы позволяют изучать структуру и свойства вещества.

Сфера применения: исследование структуры и свойств материалов и биологических объектов, фундаментальные исследования нейтронов, нейтронная томография и радиография, элементный анализ.

МБИР — строящийся в Димитровграде многоцелевой исследовательский реактор на быстрых нейтронах.

Тепловая мощность — 150 МВт.

Особенности: после ввода в эксплуатацию станет самым мощным в мире исследовательским реактором на быстрых нейтронах. Одна из ключевых особенностей — возможность использовать экспериментальные петли с разными теплоносителями: натрием, свинцом, свинцом — висмутом, газом и др.

Сфера применения: испытания перспективных материалов и технологий для реакторов нового поколения, исследования замкнутого ядерного топливного цикла, наработка изотопов.