Доклад:

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАБОТ НИИАР

ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБОСНОВАНИЯ РАЗРАБОТОК СОВРЕМЕННЫХ ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Цыканов В.А., Голованов В.Н., Смирнов В.П.,

Овчинников В.А., Сулаберидзе В.Ш.

1. ВВЕДЕНИЕ

Государственный научный Центр Российской Федерации "НИИ атомных реакторов" проводит исследования в области ядерной науки и техники по нескольким направлениям.

Выполняются работы по всем проблемам реакторного материаловедения: испытываются и исследуются опытные твэлы и ТВС с различным ядерным топливом, исследуются штатные ТВС энергетических реакторов ВВЭР-440, ВВЭР-1000, РБМК, БН-600, изучаются свойства и их изменения при облучении конструкционных материалов, а также материалов, поглощающих и замедляющих нейтроны, изучаются материалы для термоядерных реакторов.

Проводятся исследования по безопасности энергетических и исследовательских реакторов в части изучения поведения твэлов, ТВС, органов регулирования и различных конструкционных материалов в аварийных условиях.

Кроме того, выполняются работы по физико-техническим проблемам исследовательских и опытных реакторов, по созданию перспективных топливных композиций с использованием плутония и других актинидов, разрабатывается технология переработки глубоковыгоревшего топлива. Большое место занимают работы по получению и изучению свойств трансплутониевых элементов, их применению в источниках различного вида и назначения.

В представляемом докладе рассмотрены работы Центра, связанные с развитием атомной энергетики. Результаты этих работ получены сравнительно недавно, и поэтому могут представлять интерес для участников данного Совещания.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ,

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ

И ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ

2.1. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ РЕАКТОРЫ

Основные характеристики реакторов приведены в табл.1.

Для работ по ядерной энергетике научный Центр располагает:

• пятью исследовательскими и двумя опытными реакторами;
• крупнейшим в России материаловедческим комплексом, в трех зданиях которого размещено около 50 защитных камер и более 100 тяжелых и средних защитных боксов;
• технологическим комплексом для выполнения работ по технологии переработки облученного топлива, получения топлива с использованием плутония, изготовления твэлов и ТВС;
• подразделениями, обеспечивающими разработку и изготовление экспериментального и опытного оборудования, средств измерений и автоматизации, обезвреживания и захоронения радиоактивных отходов.

Перечень исследовательских работ, выполняемых на реакторах и их экспериментальное оснащение приведены ниже.

Основные характеристики реакторов, в которых проводятся испытания и облучение материалов

Реактор СМ

Выполняемые работы:

• облучение образцов материалов в заданных условиях;
• испытание топливных композиций и экспериментальных твэлов длиной до 400 мм;
• изучение закономерностей изменения свойств материалов в процессе облучения;
• испытания твэлов в условиях реактивностных аварий.

Экспериментальное оснащение:

• высокотемпературная водяная петля (Р1<=17 МПа, t <=300°С);
• ампульные устройства для массовых испытаний образцов конструкционных и поглощающих материалов;
• установки для определения изменений механических свойств материалов под облучением при различных видах нагружения и температурах до 700°С (временная база до 10⁴ часов);
• устройства для изучения выхода продуктов деления из топлива при температурах до 2000°С;
• ампульное устройство для испытаний твэлов в условиях RIA.

Реактор МИР

Выполняемые работы:

• ресурсные испытания опытных твэлов до сверхглубоких выгораний, в том числе твэлов, изготовленных из штатных твэлов ВВЭР после достижения в них проектного выгорания;
• испытания твэлов в условиях быстрого наброса мощности (RAMP), в том числе штатных выгоревших твэлов ВВЭР;
• испытания необлученных и выгоревших твэлов ВВЭР в условиях аварий с частичной или полной потерей теплоносителя (LOCA);
• испытания негерметичных выгоревших твэлов ВВЭР при стационарных и переменных условиях мощности.

Экспериментальное оснащение:

• испытательные петли с водяным кипящим и некипящим теплоносителем, (Р=20 МПа, t=300°С);
• испытательная петля для выполнения испытаний типа LOCA, (Р = 0,1 -16 МПа, t до 1200°С);
• испытательная петля с газовым теплоносителем, (Р=20 МПа, t=1000°С);
• ампульные устройства для облучения материалов.

Реактор РБТ-6

Выполняемые работы:

• облучение в точно контролируемых условиях по флюенсу и спектру нейтронов, а также по температуре образцов корпусных сталей и материалов внутриреакторных устройств.

Экспериментальное оснащение:

• стенд "Корпус", в котором возможно одновременное облучение более 10 тыс. образцов с возможностью имитации толщины стенки корпуса.

Реакторы РБТ-10/1 И РБТ-10/2

Выполняемые работы:

• облучение образцов конструкционных, поглощающих и замедляющих материалов;
• изучение свойств материалов в процессе облучения;
• накопление изотопной продукции.

Экспериментальное оснащение:

• ампульные устройства, позволяющие облучение материалов в заданных и контролируемых условиях.

Реактор БОР-60

Выполняемые работы:

• испытание твэлов и ТВС для реакторов на быстрых нейтронах;
• облучение образцов конструкционных материалов до высоких доз повреждения для реакторов на быстрых и тепловых нейтронах, а также для термоядерных реакторов;
• испытания твэлов в условиях проектных аварий для реакторов на быстрых нейтронах.

Экспериментальное оснащение:

• инструментованный канал облучения;
• испытательные петли-ампулы;
• ампульные устройства.

2.2. МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

Свойства топлива и материалов после облучения в реакторах Центра, а также поступающие штатные выгоревшие ТВС, стержни системы управления и другие изделия из энергетических реакторов исследуются в материаловедческом комплексе. Комплекс расположен в трех соединенных между собой зданиях. В одном из них исследуются ТВС и твэлы неразрушающими методами и проводятся некоторые испытания фрагментов твэлов, пэлов и образцов других материалов при аварийных параметрах. В другом выполняются материаловедческие исследования на образцах, фрагментах твэлов и пэлов, вырезанных из штатных или опытных изделий с учетом результатов неразрушающих исследований.

В третьем здании размещены защитные камеры и цепочки защитных боксов, с технологическим оборудованием, необходимым для изготовления экспериментальных и опытных твэлов с различными топливными композициями. Планировка и назначение защитных камер показаны на рис.1-3.

Ниже приводится перечень работ, выполняемых в материаловедческом комплексе.

ТРАНСПОРТИРОВКА ОБЛУЧЕННЫХ ТВС, ТВЭЛОВ, ОБРАЗЦОВ:

• транспортные операции с топливными сборками, стержнями регулирования, твэлами длиной до 4,5 м реакторов ВВЭР-440, ВВЭР-1000, РБМК, БН-350, БН-600.

ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛНОМАСШТАБНЫХ ТВС:

• визуальный контроль с видеозаписью;
• измерение размеров, характеристик искривления.

РАЗДЕЛКА СБОРОК:

• снятие чехлов с ТВС;
• разделение пучка твэлов;
• измерение усилий извлечения твэлов при разделке ТВС;
• визуальный контроль с видеозаписью.

НЕРАЗРУШАЮЩИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТВЭЛОВ:

• измерение параметров твэла:
• • размеров и характеристик искривления;
  • объема и состава газов в твэле;
  • зазора между топливом и оболочкой;
  • толщины оксидного слоя на оболочке;
• визуальный осмотр твэлов с видеозаписью:
• гамма-сканирование;
• вихретоковая дефектоскопия;
• обнаружение негерметичных твэлов;
• рентгеновское просвечивание;
• томография.

Рис.1. Защитные камеры лаборатории первичных

исследований твэлов и ТВС

Защитные камеры позволяют проводить исследования

облученных изделий с активностью 10⁵ Кюри.

Рис.2. Защитные камеры материаловедческой лаборатории

Защитные камеры лаборатории позволяют работу

с изделиями длиной до 1 м и с активностью до 10⁵ Кюри.

Рис.3. Защитные камеры для технологических работ

Защитные камеры и боксы, оборудование в них позволяют изготавливать опытные твэлы, мишени для облучения и образцы из материалов, обладающих aльфа , бета , гамма и нейтронной активностью и содержащих плутоний и трансплутониевые элементы.

МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ:

• изготовление и аттестация образцов для всех видов испытаний;
• удаление топлива из твэлов, отбор проб;
• оптическая металлография;
• измерение:
• • микротвердости;
  • плотности и пористости;
  • кислородного потенциала оксидного топлива;
  • содержания водорода (газов) в материалах;
  • теплопроводности;
  • электросопротивления;
• определение выгорания;
• определение выхода осколков деления из топлива при нагреве;
• рентгеноструктурный анализ;
• микрогамма сканирование по шлифу;
• альфа-радиография;
• термоанализ;
• дилатометрия.

ИССЛЕДОВАНИЯ НА МИКРООБРАЗЦАХ:

• сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия;
• микрорентгеноспектральный анализ;
• лазерный микроанализ;
• оже-спектрометрия;
• ионно-зондовый микроанализ;
• микродифракция.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ:

• на растяжение, сжатие и изгиб в температурном интервале от -196 до +2200°С;
• на удар в температурном интервале от -196 до +350°С;
• на длительную прочность и ползучесть;
• измерение модулей упругости и коэффициента Пуассона;
• измерение характеристик вязкости разрушения в температурном интервале от -150 до +350°С, построение Jr-кривых.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАБОТЫ:

• изготовление твэлов и ТВС для повторного облучения;
• изготовление твэлов и ТВС с керамическим и металлическим топливом;
• металлургический метод получения альфа-активных материалов;
• изготовление твэлов с МОХ-топливом;
• разработка технологии и изготовление оборудования для нанесения покрытий различного назначения электрохимическим способом, разложением металлоорганических соединений, вакуумным и плазменным напылением.

2.3. СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ И ИЗМЕРЕНИЙ

В экспериментах на исследовательских реакторах и испытательных стендах института возникает потребность измерений с помощью набора датчиков и измерительных процедур, не предусмотренных штатными измерительными системами (ИС).

Для этих целей разрабатываются нестандартные средства измерения физических параметров, требующих контроля и регулирования. К ним относятся:

• миниатюрные термоэлектрические преобразователи (термопары) для измерения температуры в ампулах, в теплоносителе, на оболочках и в сердечниках твэлов;
• датчики давления индуктивные с мембраной и переменным газовым зазором, а также дифференциально-трансформаторные с сильфоном и ферромагнитным сердечником для измерения давления газов в твэлах;
• дифференциально-трансформаторные датчики для измерения линейных перемещений при испытаниях свежих и рефабрикованных твэлов в ампульных и петлевых каналах;
• тензорезисторные датчики деформации для оснащения испытательного оборудования защитных камер.

Когда эксперименты часто повторяются или проводятся в течение длительного времени, для их обслуживания создаются стационарные специализированные ИС по типу автоматизированных систем для научных исследований. К таким системам относятся, например, ИС на стенде "Корпус" реактора РБТ-6, в котором проводится облучение конструкционных материалов, и ИС петлевых установок реактора МИР, в которых проводятся испытания опытных ТВС, в том числе в условиях RAMP и LOCA. Для относительно краткосрочных и нечасто повторяющихся экспериментов или экспериментов с небольшим объемом информации применяют мобильные специализированные ИС.

Подобные ИС разрабатывались и применялись на реакторах СМ, РБТ, МИР для:

• измерения поля температур в экспериментальном объеме ампулы или канала облучения;
• измерения плотности потока нейтронов и гамма-излучения при быстрых изменениях мощности реакторов;
• контроля за набором флюенса нейтронов в ампулах с облучаемыми образцами;
• измерения радиационного энерговыделения в материаловедческих ампулах и др.

Как правило, в этих системах используют измерительный зонд, содержащий в своем составе набор датчиков, зависящий от целей эксперимента. В соответствии с этим на вход ИС поступают сигналы в виде электрического тока или напряжения. В блоке преобразования сигналов осуществляется их усиление, фильтрация, преобразование в аналоговой или цифровой выход и передача в ПЭВМ.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Миниатюрные термопары

Индуктивные датчики давления

Дифференциально-трансформаторные датчики

линейных перемещений

Тензорезисторные датчики деформации для защитной камеры

Основные характеристики специализированных

измерительных систем

Датчики измерительных зондов:

• детекторы прямого заряда с эмиттерами из Rh, Hf, Co;
• миниатюрные термопары типа ХА(К), ХК(L);
• нейтронные ионизационные камеры, борные и урановые;
• микрокалориметрические детекторы (гамма-термопары).

Характеристики блоков преобразования сигналов:

3. ИСПЫТАНИЯ ТОПЛИВА, КОНСТРУКЦИОННЫХ ПОГЛОЩАЮЩИХ И ДРУГИХ МАТЕРИАЛОВ В СТАЦИОНАРНЫХ УСЛОВИЯХ

Реакторные испытания в стационарных условиях и послереакторные исследования облученных образцов выполняются с целью выбора перспективных топливных композиций и других реакторных материалов, определения их свойств в условиях облучения и после облучения, установления ресурса работоспособности. Помимо опытных ТВС, облученных в исследовательских реакторах, на выборочные исследования в институт поступают ТВС различных ядерных энергетических установок после их штатной эксплуатации.

Ниже перечислены цели проводимых испытаний и исследований применительно к основным реакторным материалам.

ОПЫТНЫЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ТВЭЛЫ И ТВС:

• сравнительные испытания твэлов различных модификаций;
• испытания перспективных топливных композиций, включая МОХ-топливо для реакторов на тепловых и быстрых нейтронах;
• поведение твэлов при глубоком (запроектном) выгорании.

ШТАТНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ СБОРКИ ЯЭУ:

• причины выхода из строя до выработки энергоресурса;
• размерная стабильность и стабильность формы ТВС при различной глубине выгорания;
• свойства топливной композиции и оболочек твэлов при различных выгораниях и условиях эксплуатации;
• механическое и химическое взаимодействие топливной композиции и оболочки.

СПЛАВЫ ЦИРКОНИЯ:

• изменения свойств при облучении сплавов Э110, Э125 и Э635 при высоких флюенсах нейтронов в широком температурном диапазоне;
• сравнение Российских сплавов с зарубежными, в частности, сплавов Э635 и циркалоя;
• комплексные свойства оболочек твэлов из сплава Э110;
• анизотропия радиационной ползучести;
• аттестационные испытания.

МАТЕРИАЛЫ КОРПУСОВ И ВНУТРИКОРПУСНЫХ УСТРОЙСТВ:

• изучение влияния плотности потока и спектра нейтронов на параметры охрупчивания;
• радиационные испытания перспективных материалов корпуса, наплавки и сварных соединений;
• изучение влияния напряжений, примесных и легирующих элементов на охрупчивание;
• определение масштабных факторов при испытаниях образцов и изменение свойств по толщине стенки корпуса;
• получение данных для верификации расчетных кодов по плотности потока нейтронов и спектру реакторного излучения в стенке корпуса.

МАТЕРИАЛЫ ОРГАНОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЯЭУ:

• аттестационные радиационные испытания перспективных поглощающих материалов и макетов стержней регулирования;
• поисковые работы по радиационно стойким поглощающим материалам;
• повышение ресурса органов регулирования;
• испытание стержней регулирования при параметрах возможных проектных и запроектных аварий;
• изучение причин отказов штатных стержней регулирования;
• разработка технологии регенерации и повторное использование в реакторах карбида обогащенного бора;
• утилизация облученных стержней с оксидом европия.

Для достижения запроектных выгораний в штатном топливе реакторов ВВЭР при повторном облучении их в реакторе МИР используется две методики. В первом случае из твэлов реакторов ВВЭР изготавливаются твэлы длиной до 1 метра. Во втором - в канале реактора МИР облучаются полноразмерные выгоревшие твэлы реакторов ВВЭР. В этом случае энерговыделение происходит в части твэла, находящейся в пределах активной зоны реактора МИР. В обоих случаях твэлы предварительно подробно исследуются неразрушающими методами. Преимущество первого варианта состоит в возможности оснащения рефабрикованных твэлов термопарами, датчиками давления газов внутри твэлов и другими системами измерений. Однако, во втором случае внутри твэлов сохраняется исходная газовая среда, что дает возможность определения ее влияния при дальнейшем облучении. Кроме того, при исследованиях после дооблучения полноразмерных твэлов имеется возможность сравнения характеристик топливных таблеток после дооблучения с таблетками того же твэла, имеющих исходное выгорание.

При испытаниях твэлов и ТВС в петлях реактора МИР поддерживаются теплофизические параметры и воднохимические показатели, соответствующие требованиям реакторов, для которых производятся испытания.

При испытаниях различных топливных композиций в виде ампул или экспериментальных твэлов тепловые нагрузки и температура в зависимости от целей и программы испытаний могут варьироваться в широких пределах. Испытания топливных композиций проводятся также в реакторах СМ и БОР-60.

При облучении образцов конструкционных, поглощающих и других материалов в реакторах СМ, БОР-60 и РБТ температура в зависимости от необходимости может быть выбрана в пределах 100 - 2000°С.

Помимо облучений с целью послереакторных исследований, проводятся работы по изучению механических и теплофизических свойств материалов в процессе их облучения.

4. ИСПЫТАНИЯ ТОПЛИВА В НЕСТАЦИОНАРНЫХ

И АВАРИЙНЫХ УСЛОВИЯХ

Для таких испытаний в институте используются:

• петлевые установки реактора МИР;
• электрообогреваемые стенды в защитных камерах;
• универсальный термогидравлический стенд для проведения теплофизических исследований с макетами твэлов и ТВС.

Характеристики испытательных петель реактора МИР

В испытательных петлях реактора МИР проводятся:

• испытание модельных топливных сборок с твэлами реакторов ВВЭР, в том числе достигших штатных значений выгорания в условиях аварий с разной степенью потери теплоносителя (LOCA);
• испытание модельных топливных сборок с выгоревшими твэлами реакторов ВВЭР, в том числе с полноразмерными твэлами в условиях быстрых набросов мощности (RAMP);
• испытания негерметичных твэлов в стационарных и переменных режимах мощности;
• изучение газовыделения из топлива под оболочку при ступенчатом повышении мощности твэлов (FGR).

Общие сведения об экспериментах "скачок мощности"

R1-R9 с твэлами типа ВВЭР на реакторе МИР

* Эксперимент с плавным увеличением мощности, следующим после скачка.

Общие сведения об испытаниях типа LOCA

Помимо перечисленных испытаний проводятся эксперименты и послереакторные исследования модельных ТВС и отдельных твэлов со свежим и выгоревшим топливом в режиме быстрых набросов мощности (RIA). Эти испытания при коротких импульсах выполняются на импульсных реакторах ИГР (Казахстан) и БИГР (ВНИИЭФ), а при длительности импульса от нескольких десятых долей секунды и более - на реакторе СМ (НИИАР). Подготовка твэлов и ТВС к импульсным испытаниям и послереакторные исследования проводятся в НИИАР.

Электрообогреваемые стенды:

• стенд для изучения выхода продуктов деления из облученного топлива и окисления облученных оболочек твэлов (рис.4);
• стенд для изучения длительной прочности облученных оболочек с разной степенью окисления;
• стенд для изучения имитаторов отработавших твэлов в условиях потери охлаждения и повторного залива теплоносителем (рис.5).

Рис.4. Схема стенда для исследования выхода продуктов деления, окисления и изменения структуры облученных материалов: 1,16 - баллон с аргоном; 2,17 - манометр; 3,15,18 - ротаметр; 4 - парогенератор; 5 - ТЭП; 6 - нагревательный модуль; 7 - образец; 8 - основной фильтр; 9 - конденсатор; 10 - дополнительный фильтр; 11 - гамма-детектор; 12 - масс-спектрометр; 13 - газоанализатор; 14 - сброс в спецвентиляцию

Рис.5. Схема стенда для изучения поведения имитаторов отработавших твэлов в условиях максимальной проектной аварии (LOCA): 1 -ротаметр; 2 - парогенератор; 3 - емкость с водой; 4 - устройство сброса; 5 - образец; 6 - нагревательный модель; 7 - конденсатор; 8 - барботеры; 9 - фильтр; 10 - Ge(Li) ППД; 11 - масс-спектрометр.

Основные характеристики стендов:

• рабочая среда: инертная (аргон, гелий), окислительная (воздух, пар, смесь аргон+пар);
• температурный диапазон исследований: 800-2400°С (инертная среда), 600-1300°С (окислительная среда);
• скорость изменения температуры: до 100°С в с (инертная среда), до 10°С в с (окислительная среда);
• исследуемые образцы: фрагменты топливных таблеток, твэлов, оболочек твэлов; выгорание твэлов до 70 МВт сут/кгU.

На стендах в защитных камерах проводятся:

• термические испытания фрагментов выгоревших твэлов ВВЭР;
• изучение выхода продуктов деления в зависимости от глубины выгорания, температуры и окислительных свойств окружающей среды;
• исследование совместимости топливных и поглощающих композиций с материалами оболочек в зависимости от температуры и глубины выгорания;
• исследования окисления оболочек выгоревших твэлов и их прочностных характеристик в зависимости от величины окисления.

Все твэлы, прошедшие испытания при аварийных параметрах, подвергаются подробным материаловедческим исследованиям. Исследуются изменения механических и теплофизических характеристик, структуры, плотности, распухания и других свойств.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ГНЦ РФ НИИАР располагает комплексными возможностями для выполнения экспериментальных работ на современном научно-техническом уровне с целью обоснований работоспособности ядерного топлива и материалов, а также для проведения испытаний твэлов, ТВС и других конструктивных узлов ядерных реакторов с целью их лицензирования.

СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ И ИЗМЕРЕНИЙ

При испытаниях используются:

• штатные измерительные системы, принадлежащие испытательным стендам, петлевым устройствам реакторов и другим средствам испытаний;
• специальные измерительные системы, которыми оснащаются испытываемые изделия и каналы облучения.

Они применяются на реакторах СМ, РБТ, МИР и на других испытательных устройствах для:

• измерения поля температур в экспериментальном объеме и на образцах;
• измерения плотности потока нейтронов и гамма-излучения при быстрых изменениях мощности реакторов;
• контроля за набором флюенса нейтронов в ампулах с облучательными образцами;
• измерения радиационного энерговыделения в облучаемых образцах;
• измерения давления и температуры внутри твэлов.

Государственный научный центр Российской Федерации

"НИИ Атомных реакторов" выполняет исследования по направлениям:

• испытания топливных, конструкционных и других реакторных материалов и изделий из них;
• радиационное материаловедение;
• безопасность энергетических и исследовательских реакторов;
• отдельные элементы ядерного топливного цикла, включая новые технологические процессы по созданию топливных композиций и переработки облученного топлива;
• получение и изучение свойств трансплутониевых элементов;
• изотопная продукция и получение радиоактивных препаратов и различных источников излучений.

© ФГУП "ГНЦ РФ Научно-Исследовательский Институт Атомных Реакторов" , 1997-2001