Завершен 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.

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.