В лабораториях и КБ рождаются материалы нового поколения

Одна из главных задач программы РТТН - обеспечить технологическую независимость и развитие не только атомной, но и других российских отраслей, в том числе по перспективным материалам.

В атомной индустрии сроки эксплуатации конкретной установки определяют ее превосходство перед конкурентами. "Поэтому знание того, как ведут себя разные материалы при экстремальных давлениях и температурах, при заданных условиях службы, очень важно для конструкторов", - пояснил первый заместитель генерального директора АО "Наука и инновации", научный руководитель федерального проекта по новым материалам и технологиям Алексей Дуб.

В 2023 году "Росатом" и Курчатовский институт создали промышленные образцы элементов корпусов перспективных ядерных реакторов. Речь - об элементах корпуса, внутрикорпусных устройствах и сварных элементах из новых конструкционных сталей. Как пояснили в научном дивизионе "Росатома", тем самым обеспечены характеристики и возможность производства реакторов IV поколения с оболочкой меньшей толщины: ВВЭР-С (до 210 миллиметров) и ВВЭР-СКД (275 миллиметров) на существующих в России технологических мощностях.

Перспективные материалы позволят обеспечить проекты реакторов будущих поколений высоконадежными и высокоресурсными корпусами - главными элементами энергоблоков АЭС. К примеру, освоение и совершенствование технологии изготовления обечаек большой длины позволит вынести сварные швы из зоны облучения, что весьма актуально для перспективного реактора ВВЭР-С (водо-водяной энергетический реактор со спектральным регулированием).

А спектральное регулирование, в свою очередь, повышает эффективность использования ядерного "горючего" в реакторах. С этим напрямую связана реализация в России двухкомпонентной атомной энергетики, когда "быстрые" реакторы будут сопряжены с традиционными сейчас реакторами на тепловых нейтронах. Известно, что пилотный энергоблок средней мощности с реактором ВВЭР-С намечено построить в составе Кольской АЭС-2.

В реакторных установках ВВЭР-СКД при так называемом сверхкритическом давлении исчезает различие между жидкостью и паром - вода находится в промежуточном состоянии. По оценкам специалистов, переход на сверхкритические параметры позволит повысить КПД энергоблоков АЭС, сократить удельные капитальные затраты на их сооружение при обеспечении высокой безопасности.

Помимо этого, ученые "Росатома" совместно с коллегами из входящего в Курчатовский институт ЦНИИ конструкционных материалов "Прометей" создали промышленные образцы изделий из новой марки коррозионностойкой стали с повышенными прочностными свойствами. Преимущества этих материалов в том, что они позволят на четверть сократить вес реакторной установки атомной станции малой мощности.

"Мы фактически решили проблемы с конструкционным материалом для таких реакторов, как ВВЭР-С, ВВЭР-СКД, для проектов атомных станций малой мощности", - подчеркнул Алексей Дуб.

Еще одним существенным результатом 2023 года в области новых материалов стало окончание работ по созданию методики ускоренных испытаний новых материалов. Ее внедрение позволит сократить сроки разработки и обоснования материалов для реакторных установок - с нескольких лет до одного-трех месяцев, пояснили в "Росатоме". Десять материалов уже успешно прошли исследования по этой методике.

Сорта особо прочной стали позволят на четверть сократить вес реакторной установки атомной станции малой мощности

Конкурентоспособность проектов новых энергоблоков АЭС зависит и от эффективности их ядерного топлива, которая, в свою очередь, в большой мере зависит от свойств топливных материалов. В мире сейчас активно идут работы по созданию так называемого толерантного ядерного топлива, устойчивого к авариям с потерей теплоносителя, когда прекращается подача охлаждающей воды в активную зону ядерного реактора, что ведет к перегреву ядерного топлива. В результате повышения температуры циркониевых оболочек тепловыделяющих элементов возникает так называемая пароциркониевая реакция, сопровождающаяся выделением дополнительного большого количества тепла и водорода, взрыв которого способен привести к разрушению конструкций атомного энергоблока и выходу радиоактивных веществ в окружающую среду.

Одно из возможных решений этой проблемы основано на замещении циркония материалами, у которых реакция с паром идет с меньшим энерговыделением и нарабатывается меньше водорода. В число таких материалов входит и карбид кремния (карборунд, SiC). "Этот материал позволит исключить пароциркониевую реакцию на АЭС", - отметил Алексей Дуб.

В 2023 году по программе РТТН специалисты получили образцы карбидо-кремниевых волокон длиной не менее 5 метров и макеты элементов тепловыделяющих сборок на основе SiC. Кроме того, созданы новые, так называемые дисперсно-упрочненные оксидами стали и сплавы, необходимые для производства материала оболочек ядерного топлива.