Ядерная и углеводородная энергетики

Цитата133 урановые нити — НПО «Луч» создало инновационное топливо

НПО «Луч» создало инновационное металлическое топливо для исследовательского реактора ИВГ.1М (на фото). Теперь по его образу и подобию ученые разрабатывают твэлы для энергетических реакторов — с повышенной теплопроводностью и энергоемкостью.
Реактор ИВГ.1М расположен в Казахстане, близ города Курчатова, на бывшем Семипалатинском ядерном полигоне. У установки космическое прошлое: ИВГ.1 был построен в рамках программы по созданию ядерных ракетных двигателей (ЯРД), которая велась в СССР в 1950–1980-е годы.
«Рабочим телом установки был водород, использовались керамические твэлы, рассчитанные на эксплуатацию при температуре до 3,5 тыс. градусов Кельвина, — рассказывает Дмитрий Солдаткин, заместитель директора отделения топлива и конструкционных материалов НПО «Луч», начальник лаборатории обработки металлов давлением. — В конце 1980-х программу разработки ЯРД закрыли, встал вопрос — что делать с ИВГ.1? Установку решили переделать в исследовательский реактор, для чего, в частности, заменили активную зону. Вместо керамических твэлов стали использовать уран-циркониевые, с обогащением по урану 90 %. Теплоносителем стала вода. В наименовании реактора появилась буква М — «модернизированный».
И керамическое, и нынешнее металлическое топливо для установки разрабатывали и изготавливали в «Луче». Поэтому, когда МАГАТЭ инициировало международную программу по снижению обогащения топлива исследовательских и испытательных реакторов, Казахстан обратился к специалистам института. Заказчиком низкообогащенного топлива выступил Институт атомной энергии Национального ядерного центра Казахстана. «Реакторов, подобных ИВГ.1М, больше в мире нет. Для него нужны уникальные твэлы, которые для других установок не получится использовать. То есть запускать серийное производство такого топлива на заводе не нужно и невыгодно. «Луч» в этом плане более мобилен: мы можем создать технологию и оперативно изготовить небольшую партию», — отметил Иван Галев, директор отделения топлива и конструкционных материалов НПО «Луч».
Перед учеными поставили задачу снизить обогащение урана в топливе до уровня менее 20 %. Чем меньше обогащение, тем больше урана нужно добавлять в топливо. «В прежних твэлах сердечник был сплавной. Сплав очехловывался, и методом холодной деформации изготавливался твэл, — рассказывает Дмитрий Солдаткин. — Однако при повышении количества урана сплав уже не поддается холодной деформации. Значит, плавить нельзя. Пришлось переходить на волоконную технологию».
В новом топливе уран в виде тонких волокон равномерно распределяется в циркониевой матрице. «Твэлы изготавливаются экструзионным методом, — поясняет Иван Галев. — Вначале мы берем одну жилу металлического урана в чехле из циркония и продавливаем через фильеры меньшего диаметра, на выходе получаем длинную и более тонкую жилу. Дальше полученную заготовку разрезаем на равные части, складываем их вместе и прессуем. В каждом твэле получается 133 урановые жилы диаметром около 30 мкм. Потом формируется циркониевая оболочка твэла, полуфабрикат подвергается холодной деформации: через фильеры с промежуточными отжигами идет волочение при комнатной температуре».
Получаются тепловыделяющие элементы диаметром менее 3 мм. В финале их скручивают, и твэл становится похож на узкое сверло. Такая форма обеспечивает прохождение теплоносителя между твэлами, и никакие дистанционирующие решетки не нужны.

В каждой из 30 ТВС находится 468 твэлов

Новая активная зона ИВГ.1М будет состоять из 30 ТВС, по 468 твэлов в каждой. Она сможет работать без перегрузки несколько десятилетий. «Предыдущая зона, которую мы изготовили в 1980-е годы, до сих пор работоспособна», — отметил Дмитрий Солдаткин.
Первые две экспериментальные ТВС с инновационным топливом уже прошли реакторные испытания в ИВГ.1М, в этом году им предстоят послереакторные исследования. Если они пройдут успешно, то в конце 2020 — начале 2021 года установка полностью перейдет на новое топливо.
Но в НПО «Луч» не собираются останавливаться: на основе новой технологии ученые разрабатывают металлическое топливо для энергетических водо-водяных реакторов. «Металлический уран не используется в установках большой мощности, так как подвержен деформации в процессе эксплуатации. Это связано как с газовым распуханием, так и с термическим, — объясняет Иван Галев. — Но мы полагаем, что предложенный нами подход позволит этот негативный эффект нивелировать. И тогда мы сможем использовать преимущества металлического топлива: высокую теплопроводность, которая обеспечит большую безопасность, и ураноемкость, которая позволит продлить топливную кампанию и облегчит работу в маневренных режимах».