Леонид Карпюк: мы взяли разгон в создании противоаварийного топлива для АЭС

Ведущие мировые компании, выпускающие ядерное топливо для атомных электростанций, вот уже несколько лет заняты разработкой так называемого толерантного топлива (accident tolerant fuel), использование которого, как считается, поможет предотвратить развитие тяжелых аварий на АЭС. По мнению экспертов, тот, кто первым решит задачу создания эффективно работающего толерантного топлива, потеснит конкурентов на глобальном рынке производителей топлива для атомных станций. Госкорпорация "Росатом" также активно занята разработками в этом направлении. К ним уже проявили интерес потенциальные заказчики из числа зарубежных компаний-операторов АЭС, в том числе в США. О том, как идет эта работа, какие технологические решения применяют российские специалисты, в интервью РИА Новости рассказал генеральный директор АО "Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика Бочвара" (ВНИИНМ, Москва, входит в топливную компанию Росатома ТВЭЛ) Леонид Карпюк. — Леонид Александрович, степень безопасности АЭС в мире сегодня обеспечена очень высоко. Можете ли вы пояснить читателям, зачем тогда в дополнение к существующим системам безопасности разрабатывать толерантное ядерное топливо, которое зачастую образно называют противоаварийным? — Да, действительно, сейчас вероятность протекания на АЭС инцидентов с тяжелыми последствиями просто ничтожна мала. Но мы ориентируемся на то, чтобы в принципе исключить саму возможность возникновения таких нештатных ситуаций в случае прекращения подачи охлаждающей воды в активную зону ядерного реактора. Ведь в таком случае происходит перегрев тепловыделяющих элементов (твэлов), и в результате повышения температуры их оболочек, выполненных из сплава циркония, возникает так называемая пароциркониевая реакция. Она сопровождается выделением дополнительного большого количества тепла, что ведет к выделению взрывоопасного водорода, а также разрушению твэлов и выходу из них радиоактивных веществ. Поэтому ключевая концепция, лежащая в основе проектов по созданию толерантного топлива, – недопущение пароциркониевой реакции. Напомню, что разработка новых видов ядерного топлива – это основное направление работы ВНИИНМ, мы головная организация госкорпорации "Росатом" по проблемам материаловедения и технологий ядерного топливного цикла для всех видов реакторов. По проекту разработки толерантного топлива ВНИИНМ выполняет функции научного руководителя, разработчика и основного исполнителя работ. — В январе было объявлено, что Росатом начал реакторные испытания опытных толерантных твэлов с четырьмя различными сочетаниями материалов оболочки и собственно топливной композиции. Какие преимущества с точки зрения недопущения пароциркониевой реакции дает каждый из этих вариантов? — Сначала надо сказать, что для того, чтобы не дать возникнуть этой реакции, можно применить как физический барьер, так и термодинамический. Физический барьер позволяет исключить контакт воды с цирконием. Это можно обеспечить за счет нанесения защитного покрытия на оболочку твэла. Мы рассматривали различные хром-содержащие покрытия. Нанесение защитного покрытия на оболочку твэла – это самый простой и быстрый с точки зрения внедрения вариант толерантного топлива. Для него не надо менять конструкцию тепловыделяющей сборки, а внедрение в производство потребует минимальных изменений. И что самое главное – такое покрытие повышает коррозионную стойкость топлива, что очень важно. В качестве кандидатных материалов покрытий использовались металлический хром, хромалюминиевый сплав и фехраль – сплав на основе железа, хрома и алюминия. Полученные образцы испытывали в разных условиях, и по результатам испытаний было выбрано самое стойкое покрытие. Более радикальный способ – заменить циркониевый сплав на другой материал, инертный по отношению к воде в условиях высоких температур, имеющих место в активной зоне реактора. Для такого материала мы выбрали нашу же разработку– хромникельмолибденовый сплав "Бочваллой". В этом названии увековечено имя легендарного директора ВНИИНМ Андрея Анатольевича Бочвара. По сплаву "Бочваллой" прошли коррозионные испытания, была отработана технология сварки, а также определены другие свойства, принципиально важные для изготовления твэлов. — А как обеспечить второй барьер? — Термодинамический барьер позволяет исключить возможность начала пароциркониевой реакции за счет того, что температура в 900 градусов Цельсия, при которой, собственно, и начинается эта реакция, не будет достигнута даже в случае нештатной ситуации. Этого можно достичь за счет повышения теплопроводности топливной таблетки. Диоксид урана, на основе которого делается ядерное топливо для современных АЭС, довольно плохо проводит тепло. В результате на поверхности оболочки твэлов температура составляет 300-400 градусов, а внутри топливных таблеток – полторы тысячи градусов. То есть речь идет о запасенном тепле, которое в случае инцидента с прекращением подачи воды в активную зону запускает пароциркониевую реакцию. Если же применить плотное топливо, имеющее более высокую теплопроводность, чем у диоксида урана, разница температур внутри таблетки и на поверхности оболочки будет уже не такой значительной. У плотного топлива есть и другие преимущества – например, повышенная ураноемкость. Благодаря этому теоретически можно увеличить длину топливной кампании, а также улучшить показатели активной зоны. — Но ведь дополнительное покрытие на циркониевых оболочках, как и применение других материалов для оболочки может приводить к тому, что они будут захватывать нейтроны, которые уже не смогут участвовать в цепной ядерной реакции. Тут характеристики активной зоны, наоборот, ухудшатся. Не случайно же в свое время для оболочек твэлов стали применять цирконий – он ведь слабо поглощает нейтроны. — Верно. Вы говорите о возможности так называемой потери реактивности. Но как раз повышенная ураноемкость топливной композиции поможет компенсировать эту потерю. Основными вариантами более плотного топлива мы выбрали уранмолибденовый сплав и силицид урана. У нас уже были наработки по уранмолибденовым сплавам, и поэтому в первую часть программы по толерантному топливу был включен именно этот вариант. У такого сплава ураноемкость в полтора раза выше, чем у обычного топлива, а максимальная температура не превышает 600 градусов. В части разработки уранмолибденового топлива был проведен весь комплекс исследований — от разработки технологии получения сплава до определения параметров и свойств топливной таблетки. По итогам всего комплекса работы и были изготовлены в четырех вариантах экспериментальные твэлы с различными комбинациями оболочек и топлива. Причем они были выполнены в так называемых типоразмерах и водо-водяных российских реакторов типа ВВЭР, так и зарубежных реакторов типа PWR. Тепловыделяющие сборки с опытными твэлами были изготовлены в декабре прошло года, и в нынешнем январе они были загружены в исследовательский реактор МИР в Научно-исследовательском институте атомных реакторов для реакторных испытаний. — Какой срок отводится на проведение этих испытаний? — Три года. Потом будут изучаться результаты. Конечно, те виды толерантного топлива, которые попали в первую часть программы, потребуют совершенствования и модернизации. Результаты реакторных испытаний могут внести свои коррективы в проводимые исследования. — А сколько времени понадобится на организацию производства толерантного топлива? — Сейчас степень готовности у всех его выбранных вариантов одинаковая, но, конечно, объем работ по внедрению их в производство потребуется разный. — Вы сказали о первой части программы. То есть в Росатоме не ограничиваются выбранными четырьмя вариантами толерантного топлива? По каким-то другим видам тоже идут работы? — Да. В нашем институте разрабатываются оболочки твэлов из карбида кремния. Этот материал устойчив при температуре до двух с половиной тысяч градусов, вдобавок не реагирует с паром при температурах до 1300 градусов. При этом он захватывает нейтроны в еще меньшей степени, чем цирконий. — В теории отличный вариант. А как дела обстоят на практике – имею в виду технологию работы с таким материалом? — Несмотря на такие преимущества, есть практические сложности. Дело в том, что оболочка твэла из карбида кремния имеет низкую пластичность, к тому же не отработана технология ее герметизации. Но самое главное – в нашей стране нет производства волокна из карбида кремния. Определенный интерес вызывает плотное урансилицидное топливо. Мы наметили комплексную работу по его разработке с тем, чтобы выйти на дореакторные испытания топливных таблеток в 2020 году. — Сейчас толерантное топливо становится не экзотикой, а полем конкурентной борьбы ведущих мировых производителей ядерного топлива. Основные зарубежные игроки активно занялись этой темой лет семь назад, а сообщения о том, что в России начаты работы по толерантному топливу, стали появляться спустя несколько лет. Корпорация Global Nuclear Fuel в прошлом году начала испытания своего толерантного топлива уже на одной из АЭС в США. Насколько такое стартовое отставание может быть критично для Росатома? — Мы должны вывести на рынок свое толерантное топливо раньше конкурентов. Но при этом оно должно быть и лучше, и эффективнее с точки зрения экономических показателей его эксплуатации. Что касается скорости работ – варианты нашего топлива у нас были разработаны от состояния идеи до экспериментальной сборки всего за один год. Это говорит о взятых высоких темпах работ. И мы намерены эти темпы сохранить.