Росатом включился в мировую гонку по созданию устойчивого к авариям ядерного топлива, способного гореть и не взрываться.
Каждая из крупнейших аварий в истории атомной энергетики уникальна. «Три-Майл-Айленд» (1979), «Чернобыль» (1986), «Фукусима» (2011) — каждая произошла по своим причинам, и даже реакторы на этих АЭС были устроены по‑разному. Однако все эти катастрофы вызывали серьезные кризисы отрасли и запускали большие перемены. «Три-Майл-Айленд» стимулировала введение новых стандартов безопасности, создание организаций по их выработке и контролю за соблюдением. «Фукусима» вывела на передний план концепцию толерантного, то есть устойчивого к авариям ядерного топлива.
Оболочка и реакция
Эти аварии начинались по‑разному, но во всех случаях главным разрушающим фактором стала пароциркониевая реакция. Тонкие циркониевые оболочки используются для защиты ядерного топлива. Как правило, это таблетки на основе диоксида урана. Оболочка изолирует топливо и продукты его деления, не позволяя им утекать в теплоноситель. «Столбики» урановых таблеток плотно вставляются внутрь тонкой длинной трубки и завариваются герметичной заглушкой. Несколько десятков таких тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) закрепляются круглым, квадратным или шестигранным пучком в металлическом чехле тепловыделяющей сборки (ТВС), сотни ТВС работают в активной зоне каждого реактора.
В самом распространенном на сегодня водо-водяном типе реакторов их омывает вода, которая одновременно охлаждает активную зону и улавливает быстрые нейтроны, появившиеся при распаде ядерного топлива. Чтобы изолировать ее от продуктов распада, топливо и закрывается оболочкой. Иногда ее изготавливают из алюминия, иногда из стали, но самым популярным материалом остаются сплавы циркония. Этот металл отличается замечательной стойкостью к коррозии, высоким температурам, механическим и радиационным воздействиям, удобен в обработке. Цирконий сохраняет все свои свойства, разогреваясь сильнее, чем алюминий. При этом сквозь оболочку проходит достаточно нейтронов, которые попадают в воду, нагревая ее и готовя для электрогенераторов. Стальные сплавы задерживают нейтроны намного сильнее, поэтому чаще они используются в топливных оболочках для судовых атомных реакторов, которым экономическая эффективность не так важна. Гражданские же АЭС выбирают цирконий и все, что с ним связано.
Диоксид урана плохо проводит тепло, и при аварийной потере теплоносителя (воды) может опасно разогреваться. Сам он с водой не реагирует, даже раскалившись выше 2500 °C, однако топливо начинает разогревать оболочки. При температуре более 860 °C цирконий взаимодействует с перегретым паром и окисляется, дополнительно выделяя тепло. При температуре выше 1200 °C эта реакция становится самоподдерживающейся, продолжая разогревать активную зону и наполнять ее водородом, который высвобождается из молекул воды. Смешиваясь с кислородом воздуха, тот образует гремучий газ, готовый в любой момент полыхнуть, сорвать защитные оболочки реактора и выбросить облака радиоактивных частиц. Так и случилось 12 марта 2011 года с первым энергоблоком АЭС «Фукусима-1».
Идеи толерантности
Нельзя сказать, что опасность пароциркониевой реакции не осознавалась раньше. Для защиты от нее реакторы оснащаются сложными системами газоудаления и поглощающими водород рекомбинаторами. Однако именно после «Фукусимы» в Международном агентстве по атомной энергии (МАГАТЭ) появилась рабочая группа для принципиального решения проблемы — борьбы не с «симптомами», а с самой пароциркониевой реакцией. В разработку толерантного атомного топлива, которое было бы устойчиво к развитию этих процессов, включились все ведущие компании мира, в том числе Westinghouse, GE, AREVA. Значительное финансирование эти программы получают в США и Евросоюзе, Японии и Китае, Южной Корее, Индии. На возможные подходы к проблеме указывает сам ход реакции.
Прекратить взаимодействие циркония и воды можно, отказавшись от использования ее в качестве теплоносителя, однако это потребует введения новых типов реакторов. Для уже действующих АЭС есть другие решения — изолировать цирконий от воды защитным покрытием или вовсе избавиться от циркониевых оболочек. Наконец, можно снизить приток необходимой для окисления энергии, используя соединения урана с большей теплопроводностью, не накапливающие столько тепла, — «холодное топливо».
Все эти направления прорабатывались задолго до формулирования целостной концепции МАГАТЭ. «Начиная с 2011 года толерантное топливо действительно оформилось как информационный тренд, — рассказал нам вице-президент по научно-технической деятельности компании «ТВЭЛ» Александр Угрюмов. — Но над совершенствованием материалов для ядерных реакторов, над повышением их безопасности мы работали и работаем постоянно».
Вместе с компанией «ТВЭЛ», которая отвечает за производство российского ядерного топлива, новыми разработками занимается московский НИИ неорганических материалов им. академика А. А. Бочвара. Многие исследования ВНИИНМ строго засекречены, на территории нельзя фотографировать, а каждый проходящий и все его карманные гаджеты подвергаются внимательному досмотру. Впрочем, большинство проектов ВНИИНМ связаны именно с мирным атомом; реализуется здесь и программа создания толерантного топлива. «Задел в этой области имелся большой: похожими проектами мы занимались еще в конце 1980-х и начале 1990-х годов. А сейчас экспериментальные оболочки с новым покрытием уже проходят испытания на опытном реакторе «МИР», — рассказал нам ведущий научный сотрудник ВНИИНМ Александр Титов. — В конце года новые полноразмерные ТВЭЛ отправятся на Балаковскую АЭС».
Покрытия и материалы
Александр Титов разрабатывает методы создания новых защитных покрытий для топливных оболочек. Такое покрытие не позволяет цирконию контактировать с водой и выдерживает опасный перегрев в течение пары часов, позволяя избыточной температуре рассеяться прежде, чем начнется пароциркониевая реакция. Этот путь считается самым быстрореализуемым: технология может отправиться на сертификацию и в производство уже через несколько лет. Ученые опробовали несколько перспективных материалов и остановились на хроме и его соединениях (нитриде и др.), которые отличаются высокой коррозионной и жаростойкостью. Ионно-плазменное магнетронное напыление позволяет наносить их слоем в несколько микрометров. Хромовое покрытие продемонстрировало отличную механическую прочность и коррозионную стойкость при температурах вплоть до 1200 °C, и теперь ученые готовятся к напылению полноразмерных трубок, которые будут начинены топливом и отправятся на АЭС для испытаний.
Вместе с ними в реактор установят и трубки с оболочками вовсе без циркония. Стойкая к жару, коррозии и радиации сталь — второй по практичности подход к проблеме толерантного топлива. Созданный в том же ВНИИНМ хром-никелевый сплав «Бочваллой» (42ХНМ) уже используется в топливных оболочках корабельных реакторов. Его недостатком остается наличие никеля, который захватывает слишком много быстрых нейтронов. Для ледоколов и подводных лодок это не так важно, но электростанция должна быть экономически эффективной, и, чтобы реактор не терял в производительности, такие оболочки, видимо, придется сочетать с более ураноемким топливом. Атомщики могут перейти на эту комбинацию на несколько лет позднее появления ТВЭЛ с «толерантными» покрытиями.
В самом деле, диоксид урана — традиционное топливо АЭС — плохо проводит тепло и способен сильно разогреваться, стимулируя пароциркониевую реакцию. Намного большей теплопроводностью отличается металлический уран, однако он сильно расширяется под действием газообразных продуктов, образующихся в реакциях радиоактивного распада. Это «распухание» способно повредить герметичную оболочку, и если в трещины проникнет вода, то чистый уран провзаимодействует с ней тут же — и катастрофически. Неудивительно, что концепция толерантного топлива касается, собственно, и самого топлива.
«Даже в случае нештатной ситуации пароциркониевая реакция не начнется, если не будет достигнута нужная для ее возникновения температура. Чтобы этого не допустить, можно повысить теплопроводность топливной таблетки. Такую возможность дает использование плотного топлива с более высокой теплопроводностью и ураноемкостью, — объясняет генеральный директор ВНИИНМ Леонид Карпюк. — Основными вариантами более плотного топлива являются уран-молибденовый сплав и силицид урана. А поскольку мы уже имели опыт работы с уран-молибденом, то в первую часть программы был включен именно этот вариант. Однако уран-силицидное топливо остается предметом разработок: на дореакторные испытания его таблеток мы планируем выйти уже в 2020 году».
Александр Титов: «Сегодня это общемировая тенденция. Все страны, в том числе и те, кому мы поставляем ядерное топливо, присматриваются к безопасному ATF. Так было с видеокассетами: когда появились DVD-диски, они быстро стали никому не нужны. Вскоре, если топливо не будет сертифицировано как толерантное, его просто никто не станет покупать».
Вязаная керамика
«Сейчас мы рассматриваем в первую очередь те решения, которые могут быть в среднесрочной перспективе проработаны, обоснованы и предложены операторам АЭС. Для этого первого шага выбраны те материалы и сплавы, с которыми мы уже имеем опыт работы, — продолжает Александр Угрюмов. — Другие направления еще требуют проведения базовых исследований, они намного сложнее с точки зрения реализации. Но этим мы тоже занимаемся: так, в прошлом году отрабатывали состав композитных оболочек, чтобы добиться от них нужной механической прочности. Нынешний год посвящен проблеме герметичного соединения концевых заглушек для таких оболочек».
Далекая, но весьма интересная перспектива — создание топливных оболочек из композитов карбида кремния. В лучшем случае их появления стоит ждать не ранее 2030 года, однако керамика SiC выглядит настолько многообещающе, что работы с ней ведутся почти всеми участниками «толерантной гонки». Этот материал улавливает на четверть меньше нейтронов, чем даже цирконий, и при этом не взаимодействует с водой даже при огромных температурах. К сожалению, карбид кремния хрупок, и изготовить из него прочные и герметичные тонкостенные трубки пока не удается.
Во ВНИИНМ нам показали похожий на вязальную машину аппарат, плетущий трубки из длинных керамических нитей, — над этой технологией здесь работает команда Александра Пономаренко. Прежде их заказывали за рубежом, однако после 2014 года поставки прекратились, и ученые потратили несколько лет на то, чтобы научиться самостоятельно вытягивать многометровые нити карбида кремния. По словам Александра, эта технология может найти применение далеко за пределами ядерной энергетики: легким, прочным, инертным и жаростойким материалом уже заинтересовались авиастроители. Но и это задача на послезавтра, а в ближайшие годы в продажу поступят более доступные варианты толерантного топлива.
