Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

DD-first report-Savchenko-TM-2014-ru-2

.pdf
Скачиваний:
22
Добавлен:
22.03.2019
Размер:
3.35 Mб
Скачать

Обзор направлений работ ВНИИНМ по разработке устойчивого к авариям топлива для легководяных реакторов

В.Б. Иванов, В.В. Новиков, А.М. Савченко, М.В. Скупов, В.К. Орлов, О.И. Юферов, Г.В. Кулаков

ОАО ВНИИНМ им. академика А.А. Бочвара

Инновационная политика ОАО ВНИИНМ направлена разработку новых перспективных видов топлива для легководных реакторов, которое по многим своим свойствам соответствует критериям устойчивого к авариям топлива (толерантное топливо (ATF). Некоторые варианты ATF топлива являются принципиально новыми, не имеют аналогов в мире и перспективны для включения в международные R&D программы.

ОАО ВНИИНМ является основным разработчиком топлива для различного типа реакторов (тепловых, быстрых, исследовательских, малой мощности).

Усовершенствованное топливо для реакторов типа ВВЭР, разрабатываемое в ОАО ВНИИНМ, по многим критериям соответствует ATF. Основные требования к ATF [1-6]:

1.ATF должно иметь такую же или лучшую работоспособность при нормальных условиях эксплуатации.

2.ATF должно оставаться стабильным при аварийных ситуациях как в начале кампании, так и в конце.

3.(Подход ВНИИНМ – отличен от общепринятого). Стабильность ATF под воздействием внешних факторов (взаимодействие с паром) не должно намного превышать стабильность от воздействия внутренних факторов (разрушение от взаимодействия и распухания). Этот подход значительно удешевляет производство ATF и может ускорить его внедрение.

Общепринятые в настоящее время модификации топлива, направленные на увеличение содержания урана в твэле приводят к понижению его стойкости к аварийным ситуациям (рис. 1)

[7]

Рис. 1. Модификации топлива реакторов ВВЭР для увеличения содержания урана в твэле.

1

В результате аварийных ситуаций давление внутри твэла значительно (в десятки раз) превышает давление пара снаружи и твэл разрушается изнутри не дойдя до критической температуры пароциркониевой реакции (11000С), что и подвержено испытаниями в НИААР [8-9]. Мало того, твэл типа ВВЭР разрушался даже при рабочих температурах в результате простого скачка мощности в 100 Вт/см. Это показывает недостатки конструкции твэла таблеточного типа по сравнению с твэлами дисперсионного типа.

UO2 Zr

UO2

Эксперименты по скачку мощности (100

Вт/cм) в НИИАР (T =350 0C)

LOCA эксперименты в НИИАР

(T =750-8500C)

Рис. 2. Эксперименты по имитации аварийных ситуаций в НИААР [8-9]

Основные направления работ ВНИИНМ по разработке ATF представлены на рис. 3 [10]. Это:

1. Применение новых оболочечных материалов

1.1.Разработка трубчатых образцов тонкостенных оболочек из SiC-SiC композитов (SiC-SiC- волокно и SiC-SiC порошок,CVD-процесс, Chemical vapor deposition — химическое парофазное осаждение). Экспериментальное исследование свойств тонкостенных SiC-SiC трубок, полученных различными методами (плотности и пористости, механических свойств (сжатие, изгиб) при температурах до 600°С, коэффициента линейного термического расширения (КЛТР), структурных исследований методами оптической микроскопии и сканирующей электронной микроскопии, коррозионных исследований).

1.2. Разработка и применение стальных тонкостенных оболочек. ВНИИНМ имеет большой опыт изготовления и эксплуатации стальных оболочек как для реакторов на быстрых нейтронах, так и водо-водяных малых реакторов типа ПЭБ (плавучий атомный энергоблок). Собрана база данных по свойствам и реакторным испытаниям оболочек, а также разработаны программы расчета эксплуатационных свойств оболочек применительно к реакторам ПЭБ и ВВЭР-1000. Помимо известных классов материалов (ферритные стали типа FeCrAl и нержавеющие стали) ВНИИНМ разрабатывает также новый класс хромоникелевых сталей, рассматриваемых сейчас как один из вариантов для твэла ПЭБ. Стальные оболочки диаметром от 2 до 30 мм с толщиной стенки от 0.1 до 0.7 мм могут быть изготовлены в промышленном масштабе.

1.3. Покрытие циркониевых оболочек.

2

2. Применение холодного топлива высокой теплопроводностью для уменьшения количества запасенного тепла. ВНИИНМ является головной организацией в России по разработке дисперсионного топлива для легководных реакторов. В частности, для реакторов типа ВВЭР и PWR сейчас разрабатывается инновационное топливо на базе композитов, представляющее собой высокоплотное металлическое топливо, в том числе U3Si в матрице из циркониевых сплавов. В композит может также добавляться керамическое топливо – порошок PuO2 (аналог МОХ). Композитное топливо имеет также внутреннюю регулируемую пористость для компенсации распухания и размещения газообразных продуктов деления и может рассматриваться как толерантное топливо в соответствие со следующими критериями:

-высокая теплопроводность,

-наличие металлургического сцепления оболочки с сердечником приводит к дополнительному уменьшению рабочей температуры топлива и делает твэлы работоспособными в режиме

переменных нагрузок, - высокая ураноемкость топлива, более чем на 20% превышающая ураноемкость штатного

топлива с таблеткой из диоксида урана, что позволит не только компенсировать ухудшение нейтронно-физических характеристик реактора при применении, например, стальных оболочек твэлов, но даже и снизить обогащение топлива.

- покрытое топливо (частички топлива распределены в металлической матрице, которая служит также как геттер).

Композитное топливо может также использоваться в твэлах быстрых реакторов. Дополнительно во ВНИИНМ также разрабатывается нитридное топливо для применения в быстрых реакторах (БРЕСТ).

Рассматривается еще также одно направление разработки холодного топлива путем легирования таблетки диоксида урана. На первой стадии исследований проводятся термодинамические оценки для оптимизации структуры и выбора легирующих элементов. Основной подход – получение двухфазной структуры топлива, состоящей из диоксида урана и стабильной гаммаурановой фазы, обеспечивающей более высокую теплопроводность и ураноемкость топлива.

3. Комбинация методов – например, применение керамических и относительно хрупких оболочек из SiC с композитным топливом может позволить увеличить работоспособность твэлов, так как композиты пластичны, не нагружают оболочку SiC при работе, а пористость в топливе компенсирует его распухание.

4.Моделирование поведения ATF топлива – расчет сценариев аварийных ситуаций для холодного топлива разного типа, моделирование поведения стальных оболочек при аварийных ситуациях, проведение дореакторных испытаний.

5.Топливный цикл с ATF топливом и экономические параметры его применения. Так как композитное топливо обладает более высокими нейтронно-физическими характеристиками и может улучшить экономические характеристики теплового реактора, то его применение может

компенсировать издержки, связанные с внедрением и эксплуатацией ATF. Рассмотрен топливный цикл с композитным топливом, позволяющий многократно использовать рециклированный плутоний.

3

Повышение Повышение Экономика мощности

мощности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Топливн

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ый цикл

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчеты и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сталь

 

 

 

 

моделирование

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

UO

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Композитно

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

е топливо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SiC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВНИИНМ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оболочка

 

 

 

 

Топливо

 

 

 

 

 

 

UN -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U(Pu)N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Покрытия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U3Si – U3Si2

 

 

SiC, Cr, Ni-Cr,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ti, ZrO2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Комбинация

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

методов

 

 

 

 

Многофазное

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

топливо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Основные направления работ ВНИИНМ по разработке ATF [10]

Разработка оболочечных материалов

Разработка SiC-SiC композитов [11-14]

Преимущества:

Оболочки из SiC обладают на 25 % меньшим значением сечения захвата тепловых нейтронов, чем циркониевые сплавы.

SiC не реагирует с водой при повышенных температурах. Фактически, степень коррозии карбида кремния на порядки ниже, чем у циркония.

Таким образом, использование в реакторах типа ВВЭР и РБМК оболочек твэл из карбида кремния обеспечит радикальное повышение радиационной безопасности современных АЭС.

Недостатки:

Малая пластичность;

Несвариваемость;

Сложная технология изготовления и как слекдствие - высокая стоимостьt

Разработки во ВНИИНМ проводятся на уровне лабораторной технологии [15]. Основные работы:

Разработка трубчатых образцов тонкостенных оболочек из SiC-SiC композитов (SiC-SiC- волокно и SiC-SiC порошок,CVD-процесс, Chemical vapor deposition — химическое парофазное осаждение). Экспериментальное исследование свойств тонкостенных SiC-SiC трубок,

4

полученных различными методами (плотности и пористости, механических свойств (сжатие, изгиб) при температурах до 600°С, коэффициента линейного термического расширения (КЛТР), структурных исследований методами оптической микроскопии и сканирующей электронной микроскопии, коррозионных исследований).

Рис. 4. Внешний вид полученной во ВНИИНМ образца трубки из SiC [15]

Проведены сравнительные исследования физико-химических свойств экспериментальных образцов оболочек труб, изготовленных различными методами:

изостатического прессования и последующего высокотемпературного обжига; изостатического прессования с нанесением дополнительного слоя карбида кремния из газовой фазы (CVD-процесс – Chemical vapor deposition – химическое парофазное осаждение);

осаждения карбида кремния (SiCM) на каркас (SiCволокно) из газовой фазы или пропитки каркаса (SiCволокно) (SiCM) из жидкой фазы);

осаждения карбида кремния из газовой фазы на графитовый стержень.

Рис. 5. Измерение размеров образцов трубок из SiC во ВНИИНМ [15]

Трубки из SiC получали различными способами (Рис. 6, 7). Свойства трубок, полученных прессованием и экструзией приведены в табл. 1 [15]

Таблица 1

σ(изг.),Е, Пористость,Плотность,Микротвердость,Коррозионные Метод МПа ГПа % г/см3 HV исследования,

убыль веса, %

Прессование

157,5

195,03,2

2,99

2800

1,600

Экструзия

159,0

240,03,0

2,98

-

1,350

Образцы трубок получали также методом изостатического прессования и последующего высокотемпературного отжига (рис. 8-11, табл. 2).

5

Метод изостатического прессования и последующего

высокотемпературного обжига

Рис. 6. Образцы трубок, изготовленные

методом изостатического прессования и последующего высокотемпературного обжига

Рис. 7. Микроструктура поверхностного слоя

трубки, полученного методом изостатического прессования и последующего высокотемпературного обжига

Рис. 8. Внешний вид

Рис. 9. Фотография

Рис. 10. Структура

Рис. 11. Структура

наружного упрочняющего

керамической заготовки с

внутреннего упрочняющего

поверхности керамической

покрытия. Поперечное

уплотняющим слоем SiC

покрытия. Продольный скол

заготовки с покрытием 100

сечение. Увеличение

 

Увеличение ×405

 

мкм

×405.

 

 

Таблица 2

σ(изг.),Е, Пористость,Плотность,Микротвердость,Коррозионные МПа ГПа % г/см3 HV исследования, убыль веса, %

158,0

222,02,12

3,05

2700

 

0,000

 

 

 

 

 

 

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы [15]:

Наибольшими антикоррозионными свойствами обладают образцы оболочек труб, с покрытием из SiC, нанесённым из газовой фазы на наружную и внутреннюю поверхности трубы; Наибольшие прочностные свойства установлены у труб, изготовленных методом

осаждения карбида кремния из газовой фазы на графитовый стержень.

6

Сравнительный анализ проведенных исследований показал, что наиболее оптимальным является вариант с покрытиями каркаса на основе волокон карбида кремния внешним и внутренним покрытиями из карбида кремния для сглаживания неровностей и рифленой поверхности, а также для обеспечения коррозионной устойчивости, при этом достигается многослойный SiC композит, в котором необходимо учитывать КЛТР составляющих фаз, а также термохимическую стойкость используемых соединений и покрытий.

Разработка стальных оболочек

ВНИИНМ имеет большой опыт изготовления и эксплуатации стальных оболочек как для реакторов на быстрых нейтронах, так и водо-водяных малых реакторов типа ПЭБ (плавучий атомный энергоблок), ледоколов, а также для высокопоточного исследовательского реактора СМ-2 (рис. 12) [16-23].

Рис. 12. Внешний вид стальных оболочек [18-20]

Преимущества:

Высокая коррозионная стойкость в аварийных ситуациях;

Освоенная промышленная технология изготовления труб

Недостатки:

Захват нейтронов;

Коррозионное растрескивание под напряжением (для аустенитных сталей) и радиационное охрупчивание (для ферритных сталей)

Стальные оболочки диаметром от 2 до 30 мм с толщиной стенки от 0.1 до 0.7 мм могут быть изготовлены в промышленном масштабе.

Рис. 13. Внешний вид стальных труб разных типоразмеров для быстрых и тепловых реакторов

[18-20]

7

Высокие механические свойства при повышенных температурах, в отличие от циркониевых сплавов, позволяют использовать стальные оболочки в реакторах на быстрых нейтронах. Схема разработки стальных оболочек для различных типов реакторов во ВНИИНМ приведена на рис.

14.

ВНИИНМ

Ферритная/Мартенситная

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аустенитная сталь

 

 

 

Ni-Cr сталь

 

 

сталь

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SFR

LWR

 

SFR

LWR

SM-2

LWR

FNPP

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 14. Схема разработки стальных оболочек для различных типов реакторов во ВНИИНМ [10]

Составы зарубежных аустенитных сплавов приведены в таблице 3 [18].

Таблица 3

Сталь

 

 

Содержание элементов, % масс.

C

 

Si

MnCrNiMo

Nb

Ti

V

B

P

AIM1

0.1

 

0.9

1.6

15 15 1.5

-

0.4

-

0.006

0.045

(Франция)

 

12-25

0.070.8

2

12 25 1.7

-

0.5

-

0.004

0.004

(Франция)

PNC1520

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.060.8

1.7

15 20 2.5

0.1

 

 

0.004

0.025

(Япония)

0.25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14-25

0.080.8

1.5-

14 25 2.5

0.1-

0.1-

0.1-

0.0040.030-

(Япония)

2.0

0.3

0.45

 

 

 

 

 

 

 

 

0.3

 

0.080

Составы аустенитных сплавов для быстрых реакторов, разработанные во ВНИИНМ, приведены в таблице 4 [18, 23].

Таблица 4

Содержание элементов, % масс.

Сталь

C

Si

Mn

Cr

Ni

Mo

Nb

Ti

V

B

P

Ce

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЭИ847

0.04-

<0.4

0.4-

15.0-

15.0-

2.7-

<0.9

-

-

-

<0.02

-

 

0.06

 

0.8

16.0

16.0

3.2

 

 

 

 

 

 

ЭП172

0.04-

0.3-

0.5-

15.0-

14.5-

2.5-

0.35-

-

-

0.003-

<0.02

-.

0.07

0.6

0.9

16.5

16.0

3.0

0.90

0.008

ЧС68

0.05-

0.3-

1.3-

15.5-

14.0-

1.9-

-

0.2–

0.1–

0.002-

<0.02

-

 

0.08

0.6

2.0

17.0

15.5

2.5

 

0.5

0.3

0.005

 

 

ЭК164

0.05-

0.3-

1.5-

15.0-

18.0-

2.0-

0.1-

0.25-

0.15

0.001-

0.010-

0.15

 

0.09

0.6

2.0

16.5

19.5

2.5

0.4

0.45

 

0.005

0.030

 

8

На рис. 15 приведен внешний вид твэлов до и после облучения в реакторе БН-600 [17, 18, 23]

Рис. 15 Внешний вид твэлов до и после облучения в реакторе БН-600 [17, 18, 23]

В таблице 5 приведен химический состав ферритных сталей для оболочек твэлов реакторов на быстрых нейтронах, разработанных во ВНИИНМ, а на рис. 16 внешний вид оболочек из ОДС сталей [20].

Таблица 5 [18, 23]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сталь

Cr

Si

W

Nb

Mo

V

Mn

Al

Ni

N

C

Ce

Zr

Ti

Ta

Cu

ЭП 823

11

1,2

0,3

0,3

0,8

0,3

0,7

-

0,7

≤0,05

0,14-

-

-

-

-

≤0,25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,18

 

 

 

 

 

ЭП 900

11,5

1,140,750,3

0,7

0,3

0,7

-

0,7

0,15

0,15

0,03

-

-

-

-

05Х18С2МВФАЮ

18,0

1,7

0,6

0,2

0,7

0,3

0,1

0,2

-

0,04

-

0,01

-

-

-

-

ЧС 141

13,7

1,480,66

-

0,004

0,2

1,87

-

-

0,05

0,18

-

0,020,05

-

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЭК 181

11,17

0,331,130,010,01

 

0,250,74

-

0,03

0,04

0,15

Расч.

0,05

-

Расч.

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,15

 

 

0,08

 

ЭИ 852

11

1,2

0,3

0,3

0,8

0,3

0,7

-

0,3

-

0,12

-

-

-

-

≤0,25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 16 Внешний вид оболочек из ОДС сталей [20]

9

Во ВНИИНМ разработаны также стали для водоводяных реакторов – реакторов малой и средней мощности – Билибинская АЭС, ледокольные АЗ, ПЭБ, высокопоточный исследовательский реактор СМ-2 (рис. 17) [24-34].

Рис. 17 Внешний атомного ледокола, ПЭБ и реактора СМ-2 [27-28].

Собрана база данных по свойствам и реакторным испытаниям оболочек, а также разработаны программы расчета эксплуатационных свойств оболочек применительно к реакторам ПЭБ, СМ- 2 и частично ВВЭР-1000 (рис. 18, 19) [33-34].

Рис. 18. Результаты гамма-сканирования твэла с топливом на основе диоксида урана по изотопам Zr-95, Cs-134 и Cs-137 [33-34]

10