Будущее в активной зоне
На научной конференции обсудили исследовательские возможности быстрых реакторов
С 19 по 22 мая в Заречном прошла международная научно-техническая конференция «Материалы атомной энергетики», приуроченная к 60-летию АО «Институт реакторных материалов». Масштабное отраслевое мероприятие объединило специалистов предприятий «Росатома», научных институтов, конструкторских организаций и исследовательских центров. Отдельная секция конференции была посвящена реакторам на быстрых нейтронах: рассматривали различные аспекты эксплуатации быстрых натриевых реакторов, особенности работы активных зон, развитие технологий замыкания ядерного топливного цикла, а также возможности использования таких реакторов в качестве экспериментальных и исследовательских установок. Говорили, конечно, и про Белоярскую АЭС.
Одним из докладов секции стало выступление ведущего инженера-конструктора ОКБМ «Африкантов» Артёма Кузнецова, посвящённое возможностям испытаний материаловедческих образцов в активной зоне реактора БН-800 3 блока БАЭС. В докладе, подготовленном специалистами конструкторского бюро, были представлены подходы к организации облучательных испытаний конструкционных материалов, многолетний опыт таких исследований, которые проводились на БАЭС в реакторе БН-600 и перспективы их продолжения на 4 и 5 блоках – в реакторах БН-800 и БН-1200М.
Материалы под облучением
Основная задача материаловедческих исследований в реакторах на быстрых нейтронах – понять, как разные металлы и сплавы ведут себя в условиях длительной работы внутри реактора. Такие исследования помогают не только подтвердить надёжность уже используемых материалов, но и проверить, подходят ли новые стали для реакторов следующего поколения.
Внутри активной зоны реактора материалы работают в крайне жёстких условиях. На них одновременно воздействуют высокие температуры, постоянные нагрузки и мощный поток быстрых нейтронов. Со временем это меняет структуру металла: материал может терять прочность, изменять форму и постепенно накапливать радиационные повреждения. Для конструкционных материалов быстрых реакторов особенно важна способность длительно сохранять геометрическую стабильность и механические свойства при высоких повреждающих дозах. Даже незначительные изменения структуры металла со временем могут влиять на параметры работы активной зоны, ресурс тепловыделяющих сборок и продолжительность топливной кампании. Именно поэтому материаловедческие исследования в атомной отрасли рассматриваются как один из ключевых этапов разработки новых реакторных технологий, и важно проверять их в реальных условиях эксплуатации.
Долгое время основной площадкой для таких исследований в России оставался исследовательский реактор БОР-60 в Димитровграде. За годы работы на нём был собран большой объём данных о том, как различные конструкционные материалы ведут себя под воздействием радиации.
Опыт реакторных испытаний
Однако значительный опыт проведения материаловедческих испытаний был накоплен и в ходе эксплуатации нашего реактора БН-600. Как отмечается в докладе, за всё время эксплуатации реактора в его активной зоне проводились испытания новых типов топлива, конструкционных материалов, экспериментальных поглощающих стержней и специальных облучательных устройств. Отдельным направлением стали материаловедческие исследования, связанные с изучением поведения сталей и сплавов в условиях длительного нейтронного облучения. Основной задачей таких испытаний было получение данных о радиационной стойкости конструкционных материалов, используемых при изготовлении оболочек твэлов, чехлов тепловыделяющих сборок и других элементов активной зоны.
Наш реактор фактически стал крупной экспериментальной базой для отработки технологий быстрых реакторов в целом. В разные годы здесь были облучены десятки экспериментальных тепловыделяющих сборок и материаловедческих контейнеров, проведены высокодозные испытания новых типов сталей.
Одним из важнейших направлений стали материаловедческие исследования конструкционных материалов для оболочек твэлов, чехлов тепловыделяющих сборок и других элементов активной зоны. Для этих задач на БН-600 использовали два основных типа материаловедческих сборок.
Первый тип – сборки с выемным контейнером. Их конструкция позволяла размещать материаловедческие образцы непосредственно в области максимального нейтронного потока. Для установки контейнера часть штатных твэлов в центральной части сборки заменяли экспериментальным устройством с образцами. При этом сама сборка сохраняла близкие к штатным нейтронно-физические характеристики и не оказывала влияния на работу реактора. Ключевым преимуществом такой схемы стала возможность длительного поэтапного облучения материалов. После выработки ресурса несущей тепловыделяющей сборки выемной контейнер переставляли в новую сборку, что позволяло продолжать эксперимент без извлечения образцов из реактора. Именно таким способом на БН-600 проводились исследования хромистых, ферритно-мартенситных и дисперсно-упрочнённых сталей.
Второй тип – материаловедческие сборки без выемного контейнера. В этом случае внутренний объём чехловой трубы полностью использовался для размещения образцов, однако такие сборки сильнее влияли на нейтронное поле реактора. По этой причине их размещали преимущественно в области бокового экрана.
Именно работы на БН-600 сформировали практическую основу для дальнейшего развития материаловедческих программ на БН-800. Были отработаны подходы к организации длительных облучательных кампаний, методики оценки повреждающих доз и схемы размещения экспериментальных сборок без существенного влияния на параметры эксплуатации реактора.
Новые исследовательские возможности
Реактор БН-800 сегодня рассматривается не только как промышленный энергоблок, но и как одна из ключевых экспериментальных площадок отечественной атомной отрасли. Представленный на конференции доклад показал, что возможности реактора позволяют проводить широкий спектр материаловедческих исследований, необходимых для разработки реакторов нового поколения.
Научные работы, ведущиеся на БН-800, стали прямым продолжением многолетней экспериментальной программы, реализованной ранее на БН-600. По сравнению со своим предшественником, БН-800 обладает более высокой плотностью потока нейтронов и большей скоростью набора повреждающей дозы. Это позволяет существенно ускорить проведение материаловедческих испытаний и за более короткое время получать данные, соответствующие десятилетиям эксплуатации реакторной установки.
Однако главным преимуществом БН-800 для материаловедческих исследований стала конструкция активной зоны. Наличие центральной ячейки с нетопливной сборкой открыло возможность размещать материаловедческие сборки непосредственно в области максимального нейтронного потока. Для подобных исследований это принципиально важно: высокая интенсивность облучения позволяет быстрее накапливать повреждающую дозу, а сравнительно малый градиент нейтронного потока обеспечивает более равномерные условия для всех образцов.
Фактически именно центральная ячейка стала одной из главных исследовательских особенностей БН-800. В отличие от ряда ранее применявшихся схем, установка материаловедческой сборки в центральную область реактора приводит лишь к незначительному возмущению нейтронного поля. Благодаря этому появилась возможность испытывать не только традиционные конструкционные стали, но и материалы с существенно отличающимися нейтронно-физическими характеристиками.
Ранее значительную часть подобных материаловедческих испытаний проводили преимущественно в боковых областях реактора, где уровень нейтронного потока ниже. Использование центральной ячейки БН-800 существенно расширит возможности экспериментальных исследований.
Практическим подтверждением этих возможностей стало облучение специальной материаловедческой сборки МС-БР, предназначенной для испытаний разных видов сталей, которые рассматриваются специалистами в качестве материалов для перспективных реакторных установок. В том числе и БР-1200 – быстрого реактора со свинцовым теплоносителем, который в настоящее время находится в разработке ГК «Росатома».
Сегодня значительная часть исследований на БН-800 уже ориентирована на задачи, связанные с проектом БН-1200. В первую очередь речь идёт об испытаниях новых конструкционных материалов и перспективных типов топлива, способных работать при более высоких эксплуатационных параметрах и длительных топливных кампаниях.
Работа на перспективу
Одним из ключевых направлений остаются исследования смешанного нитридного уран-плутониевого топлива. Испытания СНУП-топлива проводятся именно в интересах БН-1200М и БРЕСТ-ОД-300. В ходе этих работ исследуют различные типы твэлов, параметры выгорания топлива и поведение оболочек при длительном нейтронном облучении.
Параллельно продолжаются испытания новых радиационно-стойких сталей. В ряде экспериментов уже достигнуты повреждающие дозы, что позволяет получать данные для расчётного обоснования длительных топливных кампаний и увеличенного ресурса перспективных реакторных установок.
Отдельно специалисты рассматривают новые типоразмеры твэлов, различные варианты оболочечных материалов и конструкции активной зоны, рассчитанные на более высокие параметры эксплуатации. Для их проверки на БН-600 и БН-800 воспроизводят условия, максимально близкие к будущим режимам работы перспективного реактора.
Таким образом, работы, которые сегодня ведутся в активной зоне БН-800, выходят далеко за рамки отдельных материаловедческих экспериментов. Фактически на действующем реакторе уже сейчас отрабатываются материалы, конструкции и технологические решения, от которых будет зависеть развитие следующего поколения быстрых реакторов семейства БН – в том числе на нашем будущем 5 блоке.
Татьяна Козлова