3.2.2.1 Реакторное материаловедение и методики испытания материалов и элементов ядерных энергетических установок

Исследование твэлов тепловыделяющих сборок ВВЭР-1000 с повышенной загрузкой урана

Улучшение технико-экономических показателей и повышение безопасности эксплуатации ядерного топлива в реакторах ВВЭР-1000 достигается за счёт совершенствования конструкции ТВС, повышения ураноёмкости твэлов, применения новых топливных и конструкционных материалов.

В ОАО «ГНЦ НИИАР» были исследованы несколько кассет новой конструкции (ТВСА-АЛЬФА, ТВСА-5М и ТВС-2М) после опытно-промышленной эксплуатации на Калининской и Балаковской АЭС. В исследуемых сборках увеличение ураноёмкости твэлов было достигнуто за счёт увеличения длины топливного сердечника, увеличения наружного и уменьшения внутреннего диаметра таблетки. В твэлах ТВСА-АЛЬФА использовались оболочки из сплава на основе губчатого циркония и топливные таблетки с укрупнённым зерном (25–27 мкм), в твэлах ТВС-2М – оболочки без финишного травления и анодирования.

Основные данные по конструкции и параметрам эксплуатации твэлов с повышенной загрузкой урана

Результаты исследований подтвердили проектные эксплуатационные характеристики твэлов новой конструкции. По основным эксплуатационным характеристикам (геометрические параметры, коррозионное состояние, выход газообразных продуктов деления под оболочку) состояние твэлов не достигло критических значений, препятствующих достижению ресурсных показателей эксплуатации.

Исследование топлива и твэлов реакторов на быстрых нейтронах

В рамках федеральной целевой программы «Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010–2015 годов и на перспективу до 2020 года» выполнялись научно-исследовательские работы по двум проектам.

В рамках проекта «Разработка технологий производства плотного топлива для реакторов на быстрых нейтронах» получен комплекс экспериментальных данных о свойствах и поведении уран-плутониевого нитридного топлива, облучённого в реакторе БОР-60 в составе экспериментальных твэлов с гелиевым и свинцовым наполнением. Выявлены основные внутритвэльные процессы, влияющие на изменение свойств материалов, состояние и работоспособность твэлов. Полученные экспериментальные данные будут использованы при создании реакторов на быстрых нейтронах нового поколения.

В рамках проекта «Разработка перспективных конструкционных материалов для реакторов на быстрых нейтронах» разработана методика и проведены сравнительные эксперименты по изучению влияния упрочнения дисперсными оксидами на коррозионную стойкость нержавеющей стали ЭП-450 при физико-химическом взаимодействии с продуктами деления ядерного топлива. Анализ результатов, полученных методами металлографии, электронной сканирующей микроскопии и электронно-зондового микроанализа, позволил сделать вывод о положительном влиянии дисперсно- распределённых оксидов на коррозионную стойкость стали.

Обоснование использования конструкционных и поглощающих материалов в перспективных ядерных реакторах

С целью экспериментального обоснования работоспособности конструкционных и поглощающих материалов в условиях реакторов с жидкометаллическим теплоносителем (свинец; свинец и висмут) и модернизированных активных зон реакторов типа ВВЭР были спроектированы, изготовлены и загружены в реактор БОР-60 на испытания облучательные устройства с образцами сталей: ЭП-823-Ш, ЭП-302-Ш, 04Х15Н11С3МТ-ВИ, 09Г2С, циркониевых сплавов и материалов поглотителя нейтронов. Аналогичные работы проводились и по контрактам с зарубежными заказчиками из Франции, США, Бельгии, Италии.

Закончен цикл работ по реакторным испытаниям и послереакторным исследованиям поглощающих материалов для проектируемого японского реактора JSFR в рамках контракта с компанией, «Marubeni Utility Services, Ltd» (Япония).

Продолжались послереакторные исследования облучённых конструкционных материалов, результаты которых использовались проектировщиками реакторных установок для обоснования конструкций элементов активных зон таких реакторов, как СВБР-100, МБИР, БРЕСТ-ОД-300.

Исследования твэлов и тепловыделяющих сборок транспортных ядерных энергетических установок

Проведены материаловедческие исследования опытных цилиндрических твэлов с дисперсионной топливной композицией керметного типа на основе гранул диоксида урана в оболочках из циркониевых сплавов Э-110 и Э-635 разных модификаций. Твэлы облучались в петлях реактора МИР. На данном этапе испытаний и исследований не выявлено очевидного преимущества по коррозионной стойкости в условиях облучения какого-либо сплава. В дальнейшем изучение твэлов будет продолжено.

Исследования, связанные с топливом исследовательских реакторов

Продолжены послереакторные исследования одного из вариантов перспективных твэлов с малым вредным поглощением нейтронов для реактора СМ. Исследование проводилось в инициативном порядке в рамках программы модернизации активной зоны реактора. Показано заметное влияние на распухание и работоспособность твэлов температуры облучения и энерго- выделения.

Модернизация и развитие научно-исследовательской и экспериментальной базы атомных энерготехнологий

В рамках проекта по модернизации экспериментальной базы за счёт целевого финансирования Госкорпорации «Росатом» в отделении реакторного материаловедения введены в опытную эксплуатацию комплексы оборудования:

  • для трансмиссионной электронной микроскопии и подготовки образцов;
  • для исследования элементного состава облучённых конструкционных, замедляющих и поглощающих материалов;
  • для измерения количества и состава внутритвэльного газа;
  • для рентгеновского радиографического контроля конструктивных элементов активных зон.

Проработаны и подписаны договоры на поставку следующих комплексов оборудования:

  • для исследования изотопного состава облучённых материалов на базе масс-спектрометра «ИСП-МС NexION 300D»;
  • для механических испытаний: машина для механических испытаний «Zwick Z010», вакуумная камера «VF-M-48-MM-1500-VG» к механической машине «LFMZ 50 kN», высокотемпературные датчики деформации «3641-003М-030М» и «3641-003М-060М»;
  • для металлографического анализа при дистанционной работе в условиях радиационно-защитной камеры: металлографический микроскоп, модернизированный для исследования облучённых материалов в радиационно-защитной камере, оборудование для подготовки образцов для металлографи- ческого анализа радиоактивных материалов фирмы «СТРУЕРС» (Дания);
  • для сканирующей электронной микроскопии на базе сканирующего электронного микроскопа «VEGA 3 RXMU» фирмы «Tescan» с аналитическими приставками для элементного анализа.

Проведённая модернизация позволила вывести на новый качественный уровень научно-методическое и приборное обеспечение научно-исследовательских, опытно-конструкторских и техноло- гических работ, проводимых организациями Госкорпорации «Росатом» в области исследований облучённого топлива и конструкционных материалов для решения проблем ядерной энергетики и разработки инновационных ядерных реакторов IV поколения.