Ученые Росатома завершили первый цикл реакторных испытаний композитных оболочек ядерного топлива из карбида кремния
Научные сотрудники ВНИИНМ им. А.А. Бочвара (АО «ВНИИНМ», входит в Топливную компанию Росатома «ТВЭЛ») совместно со специалистами димитровградского НИИ атомных реакторов (АО «ГНЦ НИИАР») успешно провели первичные испытания образцов изделий из карбида кремния в исследовательском реакторе БОР-60.
Облучению подверглись образцы оболочек с различным способом армирования (биаксильный каркас, триаксильный каркас, нановолокна). Также были испытаны «заглушки» для твэлов из карбида кремния. Основная цель исследования – получить первые в России экспериментальные данные по изменению ключевых физических и геометрических параметров изделий из карбида кремния после реакторного облучения.
Ранее ученые ВНИИНМ впервые в России получили образцы экспериментальных оболочек тепловыделяющих элементов из композитного материала на основе карбида кремния (соединение кремния с углеродом). Разработка ведется в рамках программы по созданию толерантного топлива (ATF, см. ниже) нового поколения безопасности, которое позволит существенно повысить безопасность эксплуатации атомных станций. Новые данные необходимы для разработки и обоснования промышленной технологии серийного производства оболочек твэлов из карбида кремния для реакторов ВВЭР и PWR.
Специфика материалов на основе карбида кремния в том, что они обладают высокой механической прочностью, износостойкостью, теплопроводностью, а также коррозионной и радиационной стойкостью, но при этом хрупкие и малопластичные. Карбидокремниевое волокно, разработанное во ВНИИНМ, равномерно перераспределяет получаемую нагрузку на армирующий высокопрочный плетенный волокнистый каркас, тем самым делая оболочку более прочной. По оценкам ученых Росатома карбид кремния – потенциально один из самых перспективных вариантов для оболочек ATF-топлива, но при этом наиболее технологически сложный (твэлы из карбидокремниевого волокна нельзя изготовить по технологии, десятилетиями отработанной на металлах).
«В теории оболочки из карбида кремния позволят не просто минимизировать риски, а полностью исключить пароциркониевую реакцию на АЭС. Таким образом, при внедрении карбидокремниевых твэлов отпадет необходимость в некоторых системах безопасности, и тогда строить атомные энергоблоки станет дешевле. Также их применение может увеличить эффективность современных реакторов за счет повышения выгорания топлива и продолжительности топливной кампании», - отметил главный эксперт материаловедческо-технологического отдела композиционных, магнитных и специальных материалов АО «ВНИИНМ» Федор Макаров.
Для справки:
Толерантное» топливо (англ. - Advanced Technology Fuel или Accident Tolerant Fuel) – ядерное топливо, устойчивое к нештатным ситуациям на АЭС. Даже в случае потери теплоносителя и нарушения отвода тепла в активной зоне реактора толерантное топливо должно в течение достаточно длительного времени сохранять целостность без возникновения пароциркониевой реакции, способствующую выделению водорода. Внедрение противоаварийного топлива имеет ключевое значение для вывода системной безопасности и надежности атомной энергетики на качественно новый уровень. В АО «ГНЦ НИИАР» реализуется масштабная программа испытаний широкого спектра различных материалов оболочек твэлов и топливных таблеток ATF-топлива в исследовательском реакторе МИР. В 2022 году программа исследований была расширена: начались реакторные испытания новых твэлов с уран-силицидным топливом типоразмеров ВВЭР и PWR.
С 2021 в ректоре ВВЭР-1000 на Ростовской АЭС проходит опытно-промышленная эксплуатация трех комбинированных тепловыделяющих сборок с отдельными твэлами в ATF-исполнении в качестве конструкционного материала используется хром-никелевый сплав 42ХНМ или циркониевый сплав с хромовым покрытием).
АО «ВНИИНМ» - отраслевой центр метрологии и материаловедения в Росатоме. В 2021 году в институте был введен участок, предназначенный для изготовления экспериментальных изделий на основе карбида кремния. Сегодня специалисты института используют это органическое соединение для создания новых композитных материалов. Они широко применяются в машиностроении, на предприятиях металлургической, пищевой и химической промышленности.
Топливная компания Росатома «ТВЭЛ» (Топливный дивизион Госкорпорации «Росатом») включает предприятия по фабрикации ядерного топлива, конверсии и обогащению урана, производству газовых центрифуг, а также научно-исследовательские и конструкторские организации. Являясь единственным поставщиком ядерного топлива для российских АЭС, ТВЭЛ обеспечивает топливом в общей сложности 75 энергетических реакторов в 15 государствах, исследовательские реакторы в девяти странах мира, а также транспортные реакторы российского атомного флота. Каждый шестой энергетический реактор в мире работает на топливе ТВЭЛ.
Топливный дивизион Росатома является крупнейшим в мире производителем обогащенного урана, а также лидером глобального рынка стабильных изотопов. В Топливном дивизионе активно развиваются новые бизнесы в области химии, металлургии, технологий накопления энергии, 3D-печати, цифровых продуктов, а также вывода из эксплуатации ядерных объектов. В контуре Топливной компании ТВЭЛ созданы отраслевые интеграторы Росатома по аддитивным технологиям и системам накопления электроэнергии. http://www.tvel.ru
Инновационные технологии Росатома основаны на передовых достижениях российской атомной науки и в полной мере отвечают актуальной ESG-повестке. Достигнутые результаты – это труд тысяч высококвалифицированных профессионалов, которые работают в интересах экономической стабильности России. Четкое взаимодействие промышленных предприятий с научно-исследовательскими институтами помогает укреплять технологический суверенитет страны, повышать конкурентоспособность отечественной атомной отрасли.