Толерантне післязавтра

Росатом включився у світову гонку по створенню стійкого до аварій ядерного палива, здатного горіти і не вибухати.

Роман Фішман

Кожна з найбільших аварій в історії атомної енергетики унікальна. «Три-Майл-Айленд» (1979), «Чорнобиль» (1986), «Фукусіма» (2011) — кожна сталася зі своїх причин, і навіть реактори на цих АЕС були влаштовані по‑різному. Проте всі ці катастрофи викликали серйозні кризи галузі і запускали великі зміни. «Три-Майл-Айленд» стимулювала введення нових стандартів безпеки, створення організацій за їх вироблення та контролю за дотриманням. «Фукусіма» вивела на передній план концепцію толерантного, тобто стійкого до аварій ядерного палива.

Зміст

Оболонка і реакція
Ідеї толерантності
Покриття і матеріали
В’язана кераміка

Оболонка і реакція

Ці аварії починалися по‑різному, але в усіх випадках головним руйнівним фактором стала пароциркониевая реакція. Тонкі цирконієві оболонки використовуються для захисту ядерного палива. Як правило, це таблетки на основі діоксиду урану. Оболонка ізолює паливо і продукти його поділу, не дозволяючи їм витікати в теплоносій. «Стовпчики» уранових таблеток щільно вставляються всередину тонкої довгої трубки і заварюються герметичною кришкою. Кілька десятків таких тепловиділяючих елементів (ТВЕЛ) закріплюються круглим, квадратним або шестигранним пучком в металевому футлярі тепловиділяючої збірки (ТВЗ), сотні ТВЗ працюють в активній зоні кожного реактора.

В найпоширенішому на сьогодні водо-водяний тип реакторів їх омиває вода, яка одночасно охолоджує активну зону і вловлює швидкі нейтрони, що з’явилися при розпаді ядерного палива. Щоб ізолювати її від продуктів розпаду, паливо і закривається оболонкою. Іноді її виготовляють з алюмінію, іноді зі сталі, але самим популярним матеріалом залишаються сплави цирконію. Цей метал відрізняється чудовою стійкістю до корозії, високих температур, механічних і радіаційних впливів, зручний в обробці. Цирконій зберігає всі свої властивості, розігріваючись сильніше, ніж алюміній. При цьому крізь оболонку проходить досить нейтронів, які потрапляють у воду, нагрівають її і готуючи для електрогенераторів. Сталеві сплави затримують нейтрони набагато сильніше, тому найчастіше вони використовуються в паливних оболонках для суднових атомних реакторів, яким економічна ефективність не так важлива. Цивільні ж АЕС вибирають цирконій і все, що з ним пов’язано.

Діоксид урану погано проводить тепло, і при аварійної втрати теплоносія (води) може небезпечно розігріватися. Сам він з водою не реагує, навіть раскалившись вище 2500 °C, проте паливо починає розігрівати оболонки. При температурі понад 860 °C цирконій взаємодіє з перегрітою парою і окислюється, додатково виділяючи тепло. При температурі вище 1200 °C ця реакція стає самопідтримуваної, продовжуючи розігрівати активну зону і наповнювати її воднем, який вивільняється з молекул води. Змішуючись з киснем повітря, той утворює гримучий газ, готовий у будь-який момент полихнуть, зірвати захисні оболонки реактора і викинути хмари радіоактивних частинок. Так і сталося 12 березня 2011 року з першим енергоблоком АЕС «Фукусіма-1».

Конструкція водо-водяного атомного реактора на прикладі ВВЕР-1000
1. Приводи системи управління і захисту, регулює потужність реактора за рахунок занурення або підйому поглинаючих стрижнів // 2. Кришка реактора разом з верхнім блоком важить 116 т, через неї проходять висновки внутриреакторных датчиків // 3. Основу циліндричного корпусу реактора відливають з більш ніж 320 т сталі // 4. Блок захисних труб фіксує тепловиділяючі зборки // 5. Шахта розділяє вхідний і вихідний потоки теплоносія // 6. Вигородка активної зони створює додатковий шар захисту // 7. Активна зона реактора включає тепловиділяючі збірки і регулюючі стрижні.

Ідеї толерантності

Не можна сказати, що небезпека пароцірконіевой реакції не усвідомлювалася раніше. Для захисту від неї реактори оснащуються складними системами газовидалення і поглинають водень рекомбинаторами. Однак саме після «Фукусіми» в Міжнародному агентстві з атомної енергії (МАГАТЕ) з’явилася робоча група для принципового вирішення проблеми — боротьби не з «симптомами», а з самої пароцірконіевой реакцією. У розробку толерантного атомного палива, яке було б стійко до розвитку цих процесів, включилися всі провідні компанії світу, в тому числі Westinghouse, GE, AREVA. Значне фінансування ці програми отримують в США та Євросоюзі, Японії та Китаї, Південній Кореї, Індії. На можливі підходи до проблеми вказує сам хід реакції.

Припинити взаємодію цирконію і води можна, відмовившись від використання її в якості теплоносія, однак це вимагатиме введення нових типів реакторів. Для вже діючих АЕС є інші рішення — ізолювати цирконій від води захисним покриттям або зовсім позбутися цирконієвих оболонок. Нарешті, можна знизити приплив необхідної для окислення енергії, використовуючи з’єднання урану з більшою теплопровідністю, не накопичують стільки тепла, — «холодне паливо».

Завантаження оболонок в механізм вакуумної установки для напилення захисного покриття.

Всі ці напрямки опрацьовувалися задовго до формулювання цілісної концепції МАГАТЕ. «Починаючи з 2011 року толерантне паливо дійсно оформилося як інформаційний тренд, — розповів віце-президент з науково-технічної діяльності компанії «ТВЕЛ» Олександр Угрюмов. — Але над вдосконаленням матеріалів для ядерних реакторів, над підвищенням їх безпеки ми працювали і працюємо постійно».

Разом з компанією «ТВЕЛ», яка відповідає за виробництво російського ядерного палива, новими розробками займається московський НДІ неорганічних матеріалів ім. академіка А. А. Бочвара. Багато досліджень ВНИИНМ строго засекречені, на території не можна фотографувати, а кожен, хто проходить і всі його кишенькові гаджети піддаються ретельному огляду. Втім, більшість проектів ВНИИНМ пов’язані саме з мирним атомом; реалізується тут і програма створення толерантного палива. «Доробок у цій області був великий: схожими проектами ми займалися ще в кінці 1980-х і початку 1990-х років. А зараз експериментальні оболонки з новим покриттям вже проходять випробування на дослідному реакторі «СВІТ», — розповів провідний науковий співробітник ВНИИНМ Олександр Титов. — В кінці року нові повнорозмірні ТВЕЛ вирушать на Балаковскую АЕС».

Розпилювальний магнетронний модуль із зразками цирконієвих оболонок після нанесення захисного покриття.

Покриття і матеріали

Олександр Титов розробляє методи створення нових захисних покриттів для паливних оболонок. Таке покриття не дозволяє цирконію контактувати з водою і витримує небезпечний перегрів протягом пари годин, дозволяючи надлишкової температурі розсіятися перш, ніж почнеться пароциркониевая реакція. Цей шлях вважається самим быстрореализуемым: технологія може відправитися на сертифікацію і у виробництво вже через кілька років. Вчені випробували кілька перспективних матеріалів і зупинилися на хромі і його з’єднаннях (нітриду та ін), які відрізняються високою корозійною і жаростійкістю. Іонно-плазмове магнетронного напилення дозволяє наносити їх шаром в декілька мікрометрів. Хромове покриття продемонстрував відмінну механічну міцність і корозійну стійкість при температурах аж до 1200 °C, і тепер вчені готуються до напилення повнорозмірних трубок, які будуть начинені паливом і відправляться на АЕС для випробувань.

Разом з ними в реактор встановлять і трубки з оболонками зовсім без цирконію. Стійка до жару, корозії і радіації сталь — другий по практичності підхід до проблеми толерантного палива. Створений у тому ж ВНИИНМ хром-нікелевий сплав «Бочваллой» (42ХНМ) вже використовується в паливних оболонках корабельних реакторів. Його недоліком залишається наявність нікелю, який захоплює занадто багато швидких нейтронів. Для криголамів і підводних човнів це не так важливо, але електростанція повинна бути економічно ефективною, і, щоб реактор не втрачав у продуктивності, такі оболонки, мабуть, доведеться поєднувати з більш ураноемким паливом. Атомники можуть перейти на цю комбінацію на кілька років пізніше появи ТВЕЛ з «толерантними» покриттями.

Автоматизована складальна лінія ТВЗ на Машинобудівному заводі (ССЗ) в підмосковній Електросталі. МСЗ забезпечує паливом більше 60 атомних реакторів в Росії та інших країнах.

У самому справі, діоксид урану — традиційне паливо АЕС — погано проводить тепло і здатний сильно розігріватися, стимулюючи пароциркониевую реакцію. Набагато більшою теплопровідністю відрізняється металевий уран, однак він сильно розширюється під дією газоподібних продуктів, що утворюються в реакціях радіоактивного розпаду. Це «розпухання» здатне пошкодити герметичну оболонку, і якщо тріщини проникне вода, то чистий уран провзаімодействует з нею тут же — і катастрофічно. Не дивно, що концепція толерантного палива стосується, власне, і самого палива.

«Навіть у разі нештатної ситуації пароциркониевая реакція не почнеться, якщо не буде досягнута потрібна для її виникнення температура. Щоб цього не допустити, можна підвищити теплопровідність паливної таблетки. Таку можливість дає використання щільного палива з більш високою теплопровідністю і ураноемкостью, — пояснює генеральний директор ВНИИНМ Леонід Карпюк. — Основними варіантами більш щільного палива є уран-молібденовий сплав і силицид урану. А оскільки ми вже мали досвід роботи з уран-молібденом, то в першу частину програми було включено саме цей варіант. Однак уран-силицидное паливо залишається предметом розробок: на дореакторные випробування його таблеток ми плануємо вийти вже у 2020 році».

Олександр Тітов: «Сьогодні це загальносвітова тенденція. Всі країни, в тому числі і ті, кому ми поставляємо ядерне паливо, придивляються до безпечного ATF. Так було з відеокасетами: коли з’явилися DVD-диски, вони швидко стали нікому не потрібні. Незабаром, якщо паливо не буде сертифіковано як толерантне, його просто ніхто не стане купувати».

В’язана кераміка

«Зараз ми розглядаємо в першу чергу ті рішення, які можуть бути в середньостроковій перспективі опрацьовані, обґрунтовані і запропоновані операторам АЕС. Для цього першого кроку обрані ті матеріали і сплави, з якими ми вже маємо досвід роботи, — продовжує Олександр Угрюмов. — Інші напрямки ще вимагають проведення базових досліджень, вони набагато складніше з точки зору реалізації. Але цим ми теж займаємося: так, в минулому році відпрацьовували складу композитних оболонок, щоб домогтися від них потрібної механічної міцності. Нинішній рік присвячений проблемі герметичного з’єднання кінцевих заглушок для таких оболонок».

Цікаве в мережі

Далека, але досить цікава перспектива — створення паливних оболонок з композитів карбіду кремнію. У кращому випадку їх появи варто чекати не раніше 2030 року, однак кераміка SiC виглядає настільки вражаюче, що роботи з нею ведуться майже усіма учасниками «толерантної гонки». Цей матеріал вловлює на чверть менше нейтронів, ніж навіть цирконій, і при цьому не взаємодіє з водою навіть при великих температурах. На жаль, карбід кремнію крихкий, і виготовити з нього міцні і герметичні тонкостінні трубки поки не вдається.

У ВНИИНМ нам показали схожий на в’язальну машину апарат, плетущий трубки з довгих керамічних ниток, — над цією технологією тут працює команда Олександра Пономаренка. Перш за їх замовляли за кордоном, однак після 2014 року постачання припинилися, і вчені витратили кілька років на те, щоб навчитися самостійно витягати багатометрові нитки карбіду кремнію. За словами Олександра, ця технологія може знайти застосування далеко за межами ядерної енергетики: легким, міцним, інертним і жаростійким матеріалом вже зацікавилися авіабудівники. Але і це завдання на післязавтра, а в найближчі роки в продаж надійдуть більш доступні варіанти толерантного палива.

Стаття «Толерантне післязавтра » опублікована в журналі «Популярна механіка»
(№6, Червень 2019).