Владимир Михальчик: водород делает реакторные сплавы хрупкими

Развитие атомной энергетики всегда было сопряжено с решением сложных инженерных и научных задач. Многие детали и устройства атомного реактора должны функционировать в критических условиях, подвергаясь воздействию высокой температуры, давления, ионизирующего излучения и вибрации. Обеспечить безопасную и стабильную работу АЭС невозможно без понимания физико-химических процессов, происходящих в конструкционных материалах. Именно этим заняты на кафедре физических проблем материаловедения МИФИ. О проходящих на кафедре научных исследованиях мы беседуем с доцентом Владимиром Михальчиком.

Интервью взято для рубрики «Голос науки»

Владимир Михальчик

Предсказать, что произойдет в хранилище

– Владимир Валерьевич, каковы главные задачи тех научных проектов, в которых вы участвуете?

– Лаборатория, в которой я работаю является неотъемлемой частью кафедры физических проблем материаловедения. Как кафедра, так и лаборатория появились чуть ли не с самого основания МИФИ, и занимались они, в основном материалами для атомной техники. С годами происходило развитие, кругозор расширялся и сегодня на нашей кафедре занимаются исследованиями, которые касаются и термоядерных направлений, и космоса, и автомобилестроения, а также многих других отраслей, где требуются материалы, устойчивые к жестким внешним воздействиям. Мы причастны и к созданию новых материалов, и к их исследованию этих материалов. Лично моя диссертация посвящена изучению нитридного ядерного топлива, а именно нагреву этого материала до высоких температур. При нагреве в нитриде урана происходят не очень хорошие процессы, которые гипотетически могут начать развиваться в реакторе, и в ходе научной работы были разработаны рекомендации для того, чтобы этого не происходило. Сегодня у нас масса других разнообразных проектов, в числе которых, например, помимо экспериментальных работ присутствует и моделирование. Оно необходимо для того, чтобы допустим предсказать, что происходит внутри реактора, а затем показать изменения, которые произойдут с материалами после окончания топливного цикла, когда облученные ТВС уедут в хранилище. В нем они будут содержаться очень длительное время, когда технологии позволят полноценно производить рефабрикацию отработанного топлива, это может быть и 50 или даже 100 лет. Понятно, что если тепловыделяющие сборки каким-то образом видоизменятся, например, утонятся оболочки твэлов или растрескаются, и может даже частично разрушатся, это может затруднить процесс хранения, перевозки и переработки в будущем. Сегодня основа хранения отработанного топлива – это мокрые хранилища, а в последующем их будут заменять на сухие хранилища.

- Это более безопасно?

- Сухие хранилища, конечно, также, как и мокрые совершенно безопасны. В них нет воды в качестве охладителя, вместо этого используется вентилируемое помещение, где отработанные твэлы остывают в атмосферном воздухе. Естественно, содержание такого хранилища значительно дешевле и проще. С другой стороны, немного изменится температурный режим, в котором будут находится ТВС. И в любом случае понятно, что опыта длительного хранения (до 100 лет) у ученых просто нет. При этом, мы должны представлять, как себя материал поведет в течение такого огромного периода времени. Поэтому тема теоретическо-экспериментального прогнозирования оказалась востребована, и мы ей сегодня вплотную занимаемся.

Проблема гидрирования           

– Речь идет таким образом о безопасности ядерных реакторов?

– Необходимо пару слов сказать о трагедии, произошедшей в Японии на АЭС «Фукусима-1», где произошла, во-первых, авария, а во-вторых с точки зрения материаловедения пароциркониевая реакция и расплавление ядерного топлива. После этого события многие страны, в особенности Германия и Швейцария задумались о том, чтобы глобально закрыть программы по развитию атомной энергетики. К слову сказать, «Росатом» объявил, что он строить АЭС будет, но появляется акцент на внедрение более продуманных систем безопасности. В результате аварии стало понятно, что нужны новые материалы. И на нашей кафедре мы работаем над ядерным топливом, толерантным к аварийным условиям, над новыми оболочками твэлов, а также новыми конфигурациями сборок ТВС. Лично я сейчас являюсь руководителем проекта по гранту Российского научного фонда, где мы занимаемся проблемой водородного охрупчивания циркониевых сплавов, изучаем как поведут себя материалы активной зоны при наводораживании в ядерном реакторе и будем прогнозировать его поведение при дальнейшем хранении.

– Водородное охрупчивание?

– Сплавы циркония, которые сейчас используются для изготовления оболочек твэлов, дистанционирующих решеток и направляющих каналов, могут в ходе работы реактора накапливать водород. Вообще, это явление изучается уже более 50 лет.

– Но вы хотите предложить новый взгляд на старую проблему:

– Дело в том, что сейчас много информации в литературе, где изучаются непосредственно оболочки твэлов. Между тем, сами твэлы в сборке (ТВС) закреплены друг с другом с помощью специальных удерживающих ячеек – так называемых дистанцирующих решеток, которые нужны для того, чтобы твэлы не бились друг об друга в мощном потоке теплоносителя. Эти решетки тоже подвергаются гидрированию, у них есть износ и масса проблем, которые могут появиться при повышении выгорания или внештатных ситуациях. И оказалось, в научной литературе об этой проблематике практически ничего нет. Между тем, дистанцирующие решетки очень сложны в изготовлении, и при их изучении возникает масса интересных вопросов.

Где тонко - там и разрушается?

– А почем нельзя просто перенести на дистанционирующие решетки те закономерности, которые уже исследованы для оболочек твэлов?

– Труба твэла имеет толщину стенки порядка 650 мкм. А ячейка – 250 мкм, то есть почти в 3 раза меньше. При дистанционирующие решетки должны выполнять достаточно ответственную функцию. Они проработают в реакторе целый топливный цикл в несколько лет и конечно должны быть устойчивыми и в случае аварийных ситуаций. К тому же эти изделия в реакторе тоже подвергаются облучению, большим вибрациям, риску пароциркониевой реакции, то есть решетка должна отработать почти в таких же агрессивных условиях как и твэлы.

– Вам приходится моделировать подобные условия в лаборатории?

– Проект начался с того, что мы исследовали возможность проводить эксперименты по гидрированию в лабораторных условиях. Изначально в нашей лаборатории не было возможности гидрировать чистым водородом, поскольку это достаточно опасная процедура. Но мы собрали установку для гидрирования с использованием безопасной смеси аргона и 8% водорода. Эта установка может быть полезна людям во всем мире, в и при этом она не требует дорогостоящей оснастки. Грубо говоря, мы собрали из подручных средств очень интересную установку, которая в принципе гораздо более адекватна для экспериментов с тонкими изделиями типа дистанционирующих решеток. Как мы знаем из научной литературы, эксперименты по гидрированию труб твэлов как правило проводятся методом гидролиза в щелочи KOH, для которого требуется очень сильно ошкуривать поверхность труб, в результате чего уменьшается толщина изделия. То есть, если у трубы была толщина 650 мкм, мы потеряли 50 - в итоге осталось 600 мкм. Но в случае ячеек если из 250 мкм мы потеряем 50, то изделие потеряет значимый объем и нам уже будет просто нечего изучать. Поэтому мы пошли по совершенно другому пути. Оказалось, что в литературе по теме газофазного наводороживания существуют много информации, но в основном без конкретики как именно это было сделано. В тоже время оказалось мало информации относительно использования именно невзрывоопасной газовой аргоноводородной смеси. С помощью разработанной установки и отработанной методики удалось сделать широкий спектр образцов требуемых для наших задач по исследованию циркониевых изделий. В итоге удалось сравнить дистанционирующие решетки с твэльными трубами и показать насколько сложнее структура гидрида, создающаяся внутри тонкостенных изделий.

Лабораторная установка для экспериментов по гидрированию цирконивевых сплавов

Хрусталь в цирконии

– Чем же опасно гидрирование?

– Сам по себе водород, если он растворён в цирконии, является достаточно безопасным. Его атомы очень маленькие, они находятся в пустотах кристаллической решетки циркониевого сплава, и не представляют никакой опасности. Но когда концентрация водорода достаточно большая, и есть перепады температуры он начинает связывать цирконий, образуя новую фазу гидрида циркония. Гидриды циркония бывают разных кристаллических модификаций в зависимости от того, что происходило с исходным изделием, насколько быстро охлаждали и насколько активно гидрировали. Если посмотреть в микроскоп, то включение гидрида циркония в матрице выглядит буквально как трещина, она имеет причудливую пластинчатую форму. И главный вред от этого включения заключается в том, что его пластичность равна нулю. Это как включение стекла или хрусталя. Сам цирконий обладает достаточно высокой пластичностью и одновременность достаточной прочностью с упругостью, что является оптимальным для изготовления изделий для центра реакторных установок, где могут происходить механические воздействия на твэлы непосредственно как изнутри – от таблеток ядерного топлива, так и снаружи – от вибраций теплоносителя. В этих условиях если материал хрупкий - он может растрескаться и затем разрушиться. И в случае с насыщением циркония гидридами мы имеем дело с превращением, которое делает материал хрупким. Могу отметить, что российские сплавы Э110 и Э635 гидрируются гораздо медленнее, чем зарубежные аналоги. Это факт доказанный, что очень здорово, но тем не менее они все равно подвергаются наводороживанию, так как в реакторах типа ВВЭР очень много воды, где достаточно и водорода, и кислорода. Цирконий в свою очередь имеет большое сродство как кислороду, так и водороду.

В поисках защиты от водорода

– Так что же делать?

– На самом деле сами гидриды в условиях реакторного облучения могут быть вполне безобидными. Если говорить про оболочки твэлов – то с помощью определенных технологических манипуляций над этими изделиями на заводах мы можем изначально создать такую текстуру материала, при которой гидрид вырастет в определенном направлении. Нам нужно тангенциальное направление, то есть по кругу. Соответственно, если такое направление гидридов будет создано, то материал разрушаться не будет. Но если гидриды начинают вырастать в радиальном направлении, то из-за тангенциальных растягивающих напряжений в трубах может начать расти трещина, которая в конечном счете приведет к разрушению твэла. Даже небольшая трещина из-за растягивающих напряжений может привести к полному разрыву всей стенки.

– Для дистанционирующих решеток тангенциальные гидриды также опасны?

– Роль этого изделия в реакторе чуть меньшая, чем у твэла так как они не находятся в контакте с топливными таблетками. Однако их разрушение может привести к так называемой фреттинг-коррозии твэлов, при которой они могут начать разрушаться из-за периодических взаимных столкновений. Поэтому их тоже нужно исследовать и прогнозировать их поведение во время работы в реакторе и последующем хранении. Проблема изучения дистанционирующих решеток в том, что это не круглый объект. Они скорее похожи на треугольник, полученный после сдавливания трубы с трех сторон. И соответственно, у каждой ячейки имеется три точки, в которых она соприкасается с твэлом, эти точки называются пуклевками (углубления, фиксирующие твэл). При изготовлении изделия такой необычной формы в нем возникает очень сложный рисунок внутренних напряжений. В свою очередь насыщение циркония водородом сильно зависит от напряжений и чем они больше, тем скорость набора водорода выше. Таким образом, когда мы насыщаем дистанционирующие решетки водородом, а потом в них выпадают гидриды, мы можем наблюдать очень необычный неповторимый рисунок, который кардинально отличается от труб. И соответственно все это надо исследовать с помощью разных методов, в первую очередь это рентгеновский анализ и растровая электронная микроскопия, а также необходимы синхротронные исследования. Таким образом, на базе этих данных мы можем делать моделирование и затем спрогнозировать, допустим, как себя поведет материал, если мы изменим процедуру штамповки. В ходе работы над данным проектом нам удалось для себя открыть, что подобные тонкие изделия обладают очень специфическими свойствами, не такими, как оболочки твэлов, поэтому наши наработки, возможно, будут полезны и для других отраслей промышленности, например, авиационной или космической где применяются различные материалы с малой толщиной стенки. В данном исследовании сейчас нам удалось получить много интересных результатов, даже тех, которые мы изначально не ожидали.

Беседовал Константин Фрумкин, пресс-служба МИФИ