Любая сложная проблема всегда имеет
простое, понятное и совершенно неправильное
решение. Закон Мэрфи
Рис. 4.1. С сайта ПРОРЫВ https://proryv2020.ru/o-proekte/
Основные характеристики РУ
БРЕСТ-ОД-300 (п. 4.1.2 ПООБ [66]):
Характеристика
|
Значение
|
Проектная тепловая мощность, МВт
|
700
|
Объем теплоносителя первого контура, м3
|
900
|
Вид топлива
|
(U+Pu)N
|
Высота топливной части твэл, мм
|
1100
|
Мах глубина выгорания топлива, % т.а.
|
до 9
|
Мах повреждаемость оболочки твэл, сна
|
до 140
|
Расход теплоносителя через а.з., т/с
|
~41,7
|
Количество ГЦНА, шт.
|
4
|
Количество модулей ПГ, шт.
|
8
|
Средняя температура:
- на входе
в а.з., °С
- на
выходе из а.з.
|
420
535
|
Температура/давление теплоносителя 2 контура:
- на входе
в ПГ, °С/МПа
- на
выходе из ПГ, °С/МПа
|
340/18,5
505/17
|
Проектный срок службы, лет
|
30
|
4.1. Коррозия конструкционных материалов
Проект РУ
БРЕСТ-ОД-300 выполнен, исходя из следующих основных постулатов:
В
течение первых 1-2 тыс. часов испытаний в СТ на поверхности сталей формируется
сплошная прочная диффузионно-непроницаемая защитная оксидная пленка (магнетит
и смешанная шпинель) толщиной ~2 мкм. С увеличением экспозиции до 5-10 тысяч
часов её толщина возрастает до нескольких мкм и в дальнейшем существенно не
меняется (п. 4.2.1.1.3.8 ПООБ [66]).
При
длительности 54000 ч (6 лет) утонение металла вследствие коррозионных повреждений
может составлять не более 18 мкм (п. 4.2.1.1.2.2.3
ПООБ [66]).
В
расчетах учитывается термическое сопротивление окисной пленки на внешней
поверхности оболочек твэл и ПЭЛ, толщина которой приблизительно составляет 10
мкм (п. 4.2.8.2.2 ПООБ [66]).
Формирование
защитной оксидной пленки при пассивации стали ЭП823-Ш исключает образование
очагов жидкометаллической коррозии (п. 4.2.1.1.3.8 ПООБ [66]).
Далее будет показано, что ни один из этих
постулатов не соответствует фактическим результатам коррозионных испытаний
сталей в свинце.
4.1.1. Сплошная
кислородная коррозия
Прежде всего отметим, что никакого «прочного диффузионно-непроницаемого
барьера» не существует в принципе. По данным испытаний АО ЦНИИ КМ «Прометей» [134],
толщина оксидной пленки на поверхности
стали в СТ с регламентным содержанием кислорода не стабилизируется на
нескольких мкм, а растет по экспоненциальному закону. Например, для стали
ЭП302-Ш, установлена следующая зависимость толщины оксидной пленки (δ, мкм) от
времени (τ, ч): δ = 0,7∙τ0,4. По прогнозу технологов АО «ГНЦ
РФ-ФЭИ», толщина оксидной пленки при температуре 540 ºС и СО = 4∙10-6
%мас. за 40 тыс. часов на
стали ЭП823-Ш достигнет 107 мкм (п. 4.3.5.2.1.3 ПООБ [66]) – на порядок больше
того, что учитывается в теплофизических расчетах твэлов и ПГ РУ БРЕСТ-ОД-300
при оценке термического сопротивления.
Типичная структура оксидной пленки
показана на рис. 4.2, взятом из работы французских исследователей [135]. Как видно из рисунка, пленка имеет двухслойную структуру. Нижний слой ‒ сложная хромистая шпинель,
верхний – магнетит. Само существование магнетитного слоя свидетельствует о
диффузионной проницаемости оксидной
пленки.
Рис. 4.2. Структура оксидной пленки на поверхности мартенситной стали
Т91 (9% Cr) после 3600 часов испытаний в насыщенном кислородом сплаве Pb-Bi при
температуре 470 ° [135]
Из рисунка видно, как свинец проникает сквозь защитную пленку. Это
свидетельствует о том, что оксидная пленка отнюдь не является надежным барьером,
как полагают разработчики проекта РУ БРЕСТ-ОД-300.
Подчеркнем, что приведенные выше оценки
сплошной кислородной коррозии получены в испытаниях ненагруженных
образцов, а, как показали испытания ЦНИИ КМ «Прометей» (таб. 2 [136]), скорость
окисления под нагрузкой многократно возрастает (см. ниже рисунок 4.3).
(а)
(б)
Рис. 4.3. Скорость окисления стали в жидком
свинце с массовой долей кислорода (1-4)‧10-6 % при температуре 550°С
и скорости теплоносителя 2 м/с в зависимости от уровня напряжений, (а) –
аустенитная сталь ЭП302, (б) – хромистая сталь 10Х9НСМФБ
Из этого рисунка видно, что при напряжении 100 МПа скорость окисления
стали ЭП302 в свинце c регламентным содержанием кислорода возрастает в примерно
в 2 раза, а при напряжении 230 МПа ‒ в ~10 раз, по сравнению со скоростью
окисления ненагруженных образцов. Скорость окисления хромистой стали 10Х9НСМФБ
под напряжение в 2-3 раза выше, чем аустенитной стали ЭП302.
Скорость окисления зависит также и от
скорости омывающего сталь теплоносителя. По данным ГНЦ РФ-ФЭИ, при увеличении
скорости свинцового теплоносителя от 0 до 0,6 м/с скорость коррозии ф/м стали
ЭП823 возрастает в 2,5 раза (с. 1584 [131]).
Как
отмечено в Экспертном заключении [131] (c.
72), результаты испытаний подшипника
ГЦНА РУ БРЕСТ-ОД-300 в свинцовом теплоносителе с регламентным содержанием
кислорода, длительностью 360 часов, при частоте вращения до 500 об/мин,
показали, что «на всех без исключения пластинах ротора и статора подшипника наблюдается
увеличение толщины, по сравнению с замерами пластин до испытаний на 0,05-0,06
мм. Данное обстоятельство связано с окислением поверхности материала пластин в
потоке жидкометаллического теплоносителя» [137].
В испытаниях ненагруженных образцов стали ЭП302-Ш в потоке
теплоносителя со скоростью 2 м/с аналогичная толщина оксидной пленки – 64 мкм, была достигнута за 52 000 ч
(табл. 13 [138]), т.е. скорость кислородной коррозии во вращающемся подшипнике
возросла, как минимум в 144 раза, по сравнению с той, что принята в проекте РУ БРЕСТ-ОД-300
для стали ЭП302.
Зависимость
сплошной кислородной коррозии сталей в
свинце от уровня напряжений и скорости омывающего потока в проекте РУ БРЕСТ-ОД-300 [66] совершенно не
учитывается ни в прочностных и теплофизических расчетах элементов РУ, ни при
оценке потребности кислорода и,
соответственно, производительности массообменных аппаратов, ни при оценке скорости
накопления в теплоносителе нерастворенных продуктов коррозии и определении
требуемой производительности фильтров. Систематические данные о кислородной коррозии нагруженных
образцов сталей при различных уровнях напряжений, температурах и скоростях
омывающего теплоносителя и различном содержанием в нем растворенного кислорода
просто отсутствуют.
Было замечено,
что скорость окисления стали в свинце существенно зависит от исходного
состояния ее поверхности. Были опробованы: оксидирование, различные способы
механической и термической обработки, магнетохимия (воздействие сильными
магнитными полями), облучение пучком ионов поверхностей сталей. Однако в
результате длительных коррозионных испытаний, выполненных в ЦНИИ КМ «Прометей»
и ГНЦ РФ-ФЭИ, было установлено, что состояние поверхности сталей существенно
влияет на скорость кислородной коррозии лишь на начальном этапе. На интервале
времени 20 000 - 50 000 часов все отличия нивелируются.
Поэтому надежды на то, что шлифованием, подбором режимов штамповки или
термообработки, предварительным оксидированием удастся обеспечить коррозионную
стойкость стали ЭП823-Ш в свинцовом теплоносителе в условиях эксплуатации РУ,
тщетны. Такая обработка может лишь замедлить сплошную кислородную коррозию на
начальном этапе.
Как видно
из представленных выше данных, сплошная кислородная коррозия конструкционных
материалов в ПООБ РУ БРЕСТ-ОД-300 сильно недооценивается, но это еще не самая
большая проблема данного проекта.
4.1.2. Жидкометаллическая коррозия
Основную угрозу для работоспособности и
безопасности свинцовоохлаждаемого реактора представляет жидкометаллическая
коррозия (ЖМК) ‒ растворение компонентов сталей в свинцовом теплоносителе. Именно
ЖМК является главной проблемой проекта РУ БРЕСТ-ОД-300.
Известно,
что скорость растворения низколегированных сталей, а также нержавеющих сталей
аустенитного и мартенситно-ферритного классов в свинце при содержании кислорода
менее 10-7 …108 % и температурах 450- 500 оС составляет 1-10 мм/год.
Как
отмечено на с. 73 Экспертного заключения [131], результаты коррозионных
испытаний макета ТВС РУ БРЕСТ-ОД-300 в
потоке свинцового теплоносителя с содержанием кислорода СО = (10-8-10-7)
%мас. при температуре 450-650 ºС в течение 300-1000 часов,
выполненных в АО «ГНЦ РФ-ФЭИ» [139], показали, что глубина коррозионных повреждений
ферритно-мартенситной стали ЭП823-Ш достигает 1200-1300 мкм (см. рисунок 4.4),
что соответствует скорости ЖМК ~10-11 мм/год (20 толщин оболочки твэла в год!).
Рис. 4.4.
Поперечные сечения образцов стали ЭП823 после коррозионных испытаний в свинце
на границе
«хвостовик-конусная часть
образца», Т=600 ºС, τ=300 часов ([66, 139].
Результаты этих испытаний свидетельствуют о
том, что сталь ЭП823-Ш, из которой изготовлены оболочки твэлов и вся активная
зона РУ БРЕСТ-ОД-300, относится к наименее коррозионностойким по отношению к
ЖМК сталям и непригодна для эксплуатации в свинцовом теплоносителе.
Для защиты от ЖМК в проекте РУ БРЕСТ-ОД-300,
как и полвека назад, используется кислородное ингибирование – создание и
поддержание оксидных пленок на поверхности металла за счет предварительного
оксидирования и подачи кислорода в теплоноситель в процессе эксплуатации. При этом, как
указано в Экспертном заключении (c. 74-78 [131]), вопреки принятому в ПООБ [66] постулату о том, что формирование защитной оксидной
пленки исключает образование очагов жидкометаллической коррозии, фактические
результаты испытаний, выполненных в ЦНИИ КМ «Прометей» [56, 134, 136, 138, 140] показали, что уже при напряжении 70-100 МПа на стали ЭП83-Ш происходит
растрескивание защитной оксидной пленки (см.
рисунок 3.4), проникновение свинца в металл и, как следствие, глубокая
локальная ЖМК.
В испытаниях на длительную прочность образцов стали ЭП823-Ш в
свинцовом теплоносителе с регламентным содержанием кислорода при напряжении 160
МПа и температуре 590 ºС (область рабочих напряжений и температур оболочек
твэлов) продолжительностью ~1,5 месяца обнаружено проникновение свинца на
глубину до 180 мкм, «выявлены очаги жидкометаллической коррозии в виде язв,
пропитанных свинцом» [56, 138].
Рис. 4.5. Растрескивание оксидной пленки на
ф/м стали 10Х9НСМФБ после испытаний на длительную прочность в свинце при
напряжении 69 МПа (а), (б) – то же при большем увеличении [136]
Локальная ЖМК стали ЭП823 глубиной 180 мкм (36 % толщины
оболочки твэла) за ~1,5 месяца, это в 10 раз больше, чем принято в ПООБ [66] за
6 лет ‒ не более 18 мкм.
По данным [140]
при температуре 550 °С и напряжении 230 МПа на стали ЭП302 обнаружено
растрескивание защитной оксидной пленки и проникновение жидкого свинца в сталь как по микротрещинам, так и по
границам зерен на глубину от 80 до 180 мкм (см. рисунок 4.5).
Для сравнения, глубина локальной ЖМК наружной
поверхности оболочек
твэлов из сталей ЧС-68 и ЭК-164 в натрии
после облучения в активной зоне БН-600
в течение 17500 часов (729 сут.), не превышает 17 мкм [141].
Рис. 4.6. Проникновение свинца в сталь ЭП302,
локальная ЖМК [140]
Не
оправдались надежды и на «самозалечивание» оксидных пленок в регламентном
кислородном режиме. По заключению ЦНИИ КМ «Прометей»: окислительной способности
стали ЭП823-Ш из-за относительно низкого содержания хрома и кремния
недостаточно для залечивания поверхностных трещин (с. 19 [138]).
С этим согласны и специалисты АО
«НИКИЭТ»: «концентрация кислорода в свинце на уровне Со
≈ (5·10-7 ÷ 5·10-6) %масс не обеспечивает защиту сталей от
воздействия свинца при наличии застойных зон и напряжений» (c. 23, [142]). Это неудивительно, если учесть, что скорость
жидкометаллической коррозии на 2-3 порядка выше, чем скорость кислородной
коррозии при указанных выше концентрациях кислорода.
Несмотря на то, что главной особенностью
коррозии материалов в свинце, отличающей ее от коррозии в воде или в натрии,
является преимущественно язвенный характер, обусловленный растрескиванием (механическим повреждением)
оксидной пленки и быстрой локальной
ЖМК, несмотря на прямое требование
НП-089-15 (п.10 Приложения № 2), разработчики проекта за прошедшие десятилетия
не получили никаких данных о характере сопротивления язвенной коррозии конструкционных
материалов своей установки, контактирующих со свинцом, ‒ данных о скорости
роста количества и глубины язв в эксплуатационных условиях. Без такой
информации невозможно достоверно прогнозировать глубину коррозионных
повреждений и ресурс основных элементов РУ БРЕСТ-ОД-300.
Неэффективность
коррозионной защиты сталей от жидкометаллической коррозии с помощью
поверхностных оксидных пленок, неизбежность глубокой локальной ЖМК в условиях
эксплуатации и вытекающая отсюда непригодность сталей ЭП823 и ЭП302 для работы
в РУ БРЕСТ-ОД-300 – это объективная реальность, твердо установленные в
многочисленных и многолетних исследованиях и наглядно представленные экспериментальные
факты, а не просто «спорное мнение» отдельных недоброжелателей, как хочется
кому-то думать.
Вот данные ведущих зарубежных специалистов (ENEA, Рим; Итальянский технологический
институт, Милан; Институт технологии в Карлсруэ, Германия), опубликованные в документе МАГАТЭ в
мае 2020 г. – IAEA- TECDOC-1912 [135]:
«Контакт со свинцом и свинцовыми сплавами подвергает материалы серьезной
деградации в соответствии с различными механизмами ‒ непассивирующим
окислением, растворением компонентов сталей и жидкометаллическим охрупчиванием.
Формирование хромистого оксидного слоя на стальной поверхности, который
выступает физическим барьером для последующего окисления в большинстве сред, не
является эффективным для тяжелых жидкометаллических теплоносителей. При
температурах выше 450~500 °C наблюдается сильное коррозионное воздействие как в
аустенитной, так и в ферритно-мартенситной стали с образованием толстых
незащитных слоев оксидов, внутреннего окисления и растворения стали в
теплоносителе» (с.195).
«Жидкометаллическое охрупчивание
ферритно-мартенситных сталей исключило их рассмотрение в качестве
конструкционного материала в реакторах с жидкометаллическим теплоносителем на
основе свинца» (c. 176).
«Локальная коррозия – одна из ключевых
проблем, которая еще до конца не изучена» (c. 180).
Выводы европейских исследователей
целиком совпадают с выводами экспертизы НТЦ ЯРБ. Процитированные выше три
тезиса это, по существу, приговор «международного трибунала» проекту РУ
БРЕСТ-ОД-300, в котором как раз и применяется антикоррозионная защита с помощью
поверхностных оксидных пленок, активная зона изготовлена из
ферритно-мартенситной стали ЭП823-Ш (подверженной, как это показано в
испытаниях [140, 143]
жидкометаллическому охрупчиванию в интервале температур 360-420 ºС) и полностью
игнорируется локальная жидкометаллическая коррозия.
Долгое время за рубежом верили в то,
что «решение, придуманное русскими конструкторами в 60-е годы для реакторов
подводных лодок класса «Aльфа», оказалось очень практичным и
эффективным. Оно состояло в том, чтобы растворить кислород в жидком металле и
поддерживать его концентрацию ниже значения, при котором образуются нерастворенные
оксиды свинца, но достаточно высоким, чтобы обеспечить образование защитной
оксидной пленки на поверхности нержавеющей стали» (с. 196 [144]). Промоутеры
свинцово-висмутового теплоносителя убеждали, что достаточно поддерживать
концентрацию кислорода в интервале (10-5 ÷ 10-6) %масс. и
проблема коррозии конструкционных материалов будет решена, а сам теплоноситель
не зашлакуется.
Теперь, когда европейцы провели
собственные исследования и выяснили, что с оксидной пленкой все не так просто и
эффективно, они, во-первых, перенесли сооружение своего демонстрационного
реактора со свинцовым теплоносителем ALFRED с 2025 г. на 2035-2040-е годы, а,
во-вторых, занялись поиском альтернативных нерастворимых покрытий, например,
глинозема (Al2O3), который предлагается наносить на
поверхность сталей с помощью лазера.
У нас в стране активно занимались подобными
исследованиями полвека назад. Были испробованы: бериллизация, алитирование,
хромирование, молибденирование, силицирование и др. (с. 337 [105]). Но ни одно
из этих покрытий не оказалось эффективным.
Их общая проблема состоит в том, что они не «самозалечиваются», а
гарантировать сохранность таких покрытий в течение нескольких лет или даже
десятков лет в агрессивной среде тяжелого жидкометаллического теплоносителя
затруднительно.
4.1.3.
Деградация механических свойств сталей в свинце
Помимо глубоких коррозионных повреждений,
длительное воздействие свинцового теплоносителя приводит к существенной
деградации механических свойств конструкционных материалов.
Согласно результатам
испытаний ЦНИИ КМ «Прометей» (c. 78-80 [66],
таблица 1 [138]), время до разрушения цилиндрических
образцов стали ЭП823-Ш диаметром 6 мм в среде жидкого свинца и на воздухе при
одинаковых напряжениях соотносятся между собой, как:
Напряжение, МПА
|
Время до разрушения, ч
|
Отличие: воздух/свинец
|
Т = 550 °С
|
|
Воздух
|
Свинец
|
|
70
|
51286
|
20653
|
2,5
|
90
|
24547
|
14454
|
1,7
|
100
|
16634
|
4570
|
3,6
|
130
140
|
2338
|
1025
|
2,3
|
160
170
|
524
692
|
317
|
1,7
2,2
|
Т = 630 °С
|
100
|
2370
|
-
|
|
140
|
232
|
27
|
8,6
|
160
|
193
|
25
|
7,7
|
180
|
78
|
2
|
39
|
Как видно из
представленных данных, время до разрушения в свинце при температуре 550 °С, по сравнению с испытаниями на
воздухе, сокращается в ~ 2-4 раза, а при температуре 630 °С (рабочая
температура оболочек твэлов и рабочий диапазон напряжений) от 8 до ~39 раз.
Кроме того, как отмечено в том же отчете ЦНИИ КМ «Прометей» (л. 17 [138]), «в
потоке ТЖМТ происходит увеличение скорости ползучести на стадии установившейся
ползучести и более ранний переход в третью стадию ползучести. Так при
температуре 590 ºС, скорость ползучести на стадии установившейся ползучести для
стали ЭП823-Ш в потоке ТЖМТ в 5-7 раз выше, чем на воздухе».
В качестве
причины ухудшения механических свойств стали в свинцовом теплоносителе
специалисты ЦНИИ КМ «Прометей» указывают растрескивание оксидного слоя,
проникновение трещин в сталь и локальную жидкометаллическую коррозию [56, 59].
Надо сказать, что вывод о неэффективности
коррозионной защиты в ТЖМТ с помощью поверхностных оксидных пленок не является
новостью. Еще 40 лет назад в учебнике В.В.Герасимова и А.С.Монахова «Материалы
ядерной техники» [185] было указано: «защита с помощью поверхностных окисных
пленок носит временный характер. Пленки разрушаются из-за механических
повреждений, из-за различия коэффициентов линейного удлинения окисла и металла
во время термических циклов, вследствие эрозии». Все имеющиеся на сегодняшний день
многочисленные коррозионные испытания сталей в свинцовом и свинцово-висмутовом
теплоносителе, проведенные и у нас, и за рубежом, только подтвердили этот
вывод.
Неизбежное в условиях эксплуатации повреждение
оксидной пленки неминуемо приводит к быстрой и глубокой локальной ЖМК, которую
разработчик проекта РУ БРЕСТ-ОД-300 вообще никак не учитывает, ограничиваясь
сплошной кислородной коррозией, к тому же многократно заниженной.
Заметим в скобках, что вслед за разработчиками
проекта, составители сводного Экспертного заключения ДНП-5-3546/2-2021 [68], на
основании которого была выдана лицензия на сооружение энергоблока, исключили из
этого заключения всякое упоминание о локальной жидкометаллической коррозии. Как и почему это было сделано описано в Главе
5. Здесь же отметим, что локальная ЖМК и глубокая деградация механических
свойств сталей в свинце делает невозможным существование РУ БРЕСТ-ОД-300 В
ПРИНЦИПЕ точно также, как законы термодинамики исключают возможность
существования вечного двигателя.
Признание этого факта равносильно признанию
бессмысленности продолжение работ в данном направление, как и предыдущих
многолетних усилий и затрат. Это оказалось выше сил не только разработчиков
проекта, но и Ростехнадзора.
4.2. СНУП топливо
В ПООБ [66] (п. 4.2.1.13.8, л. 101) утверждается,
что результаты реакторных испытаний СНУП топлива твэлов в натриевых реакторах
БОР-60 и БН-600 «не выявили значимого
влияния нейтронного облучения на внутритвэльную коррозию твэльных оболочек из
стали ЭП823-Ш».
В
действительности, как отмечено в пп. 4.2.2.2, 4.2.3.5, 4.2.4 Экспертного
заключения [131], послереакторные исследования облученных твэлов [181]
обнаружили прогрессирующий рост глубины внутритвэльной язвенной коррозии с
увеличением выгорания СНУП топлива:
- при выгорании 3,51-3,80 %т.а. до 60 мкм;
-
при выгорании 4,0% т.а. до 150 мкм;
-
при выгорании 4,2-4,5 % т.а. до 170 мкм (34% толщины оболочки).
Типичный
вид внутритвэльной язвенной коррозии оболочки твэла из стали ЭП823-Ш показан на
рисунке 4.7 [181].
Авторы [181]
связали глубину внутритвэльной коррозии лишь с исходным содержанием кислорода в
топливе ‒ при массовой доле кислорода от 0,05 до 0,07 % глубина коррозии не
превышает 60 мкм, при массовой доле кислорода от 0,08 до 0,15 % глубина
коррозии достигает 170 мкм (с. 204). Однако из представленных выше данных
отчетливо видна корреляция глубины язвенной коррозии с глубиной выгорания
топлива.
Рис. 4.7. Внутритвэльная язвенная коррозия
оболочки
Установлено, что скорость распухания СНУП топлива в 1,5-2,4 раза выше, чем у МОХ-топлива (с.
209 [181]), вследствие чего, уже при
локальным выгорании 4,5 %т.а., наблюдается исчерпание исходного диаметрального
газового зазора в твэле.
Послереакторные
исследования показали также:
- фронтальное азотирование внутренней поверхности оболочек на
глубину 10-30 мкм и науглероживание глубиной до 100 мкм (20 % толщины
оболочки), приводящие к многократному снижению ее пластичности, по сравнению с
твэлами с оксидным топливом. Аналогичное азотирование и науглероживания
наблюдаются не только в испытаниях твэлов БРЕСТ-ОД-300, но и твэлов БН-1200 со СНУП топливом;
Рис. 4.8. Профилограмма
оболочки облученного твэла со СНУП топливом [181]
- овализацию и многочисленные, регистрируемые на
профилограммах, локальные деформации оболочки [181]. (Если увеличение диаметра твэлов с топливом UO
2 на
участке топливного столба не превышает 20 мкм, то у твэлов со СНУП-топливом оно
достигает 100-120 мкм (КЭТВС-3, ЭТВС-5);
- удлинение оболочки
твэлов со СНУП топливом на ~5 мм, по сравнению с оболочками твэлов с топливом UO2 (см.
рисунок 4.9)
По заключению НИИАР, «очевидно, что обусловленное распуханием
одновременное увеличение диаметра и длины сердечника при наличии многочисленных
точек локального взаимодействия его с оболочкой приводило к возникновению
аксиальных напряжений в оболочке и, как следствие, её удлинению».
Рис. 4.9. Вид верхней части пучка
твэлов после удаления остатков свинца (31, 35 твэлы со СНУП-топливом, рядом твэлы с
оксидным топливом) [181]
Напряжения в оболочке, как показано выше, приводит к растрескиванию
защитной оксидной пленки на поверхности стали и интенсивной (до 36 % толщины
оболочки за ~1,5 месяца) локальной ЖМК со стороны свинцового теплоносителя,
которая не проявляется в условиях натриевого реактора, но окажет пагубное
влияние на работоспособность твэлов в условиях эксплуатации РУ БРЕСТ-ОД-300.
Ранний жесткий контакт хрупкого и быстро распухающего нитридного топлива с
оболочкой и сопутствующие этому контакту напряжения и являются причиной
несовместимости СНУП топлива со свинцовым теплоносителем. :
По мнению научного руководителя проекта ПРОРЫВ Е.О. Адамова,
итоги испытания топлива в БН-600 “очень простые: если бы она (сборка) не
работала, реактор пришлось бы остановить раньше, она бы свои (проектные 5,5 %
выгорания не выдержала” [174]. Увы, в действительности всё не так просто. Сохранение
целостности твэлов в нормальных условиях эксплуатации это необходимое, но
далеко не достаточное условие для подтверждения их работоспособности и
выполнения критериев безопасности при нарушении нормальной эксплуатации. От
оболочки твэла требуется, чтобы она сохраняла свои механические свойства на
уровне, обеспечивающем непревышение проектных пределов, установленных для
проектных аварий. При глубине внутритвэльной коррозии 150-170 мкм (30-34 % от
толщины оболочки), которая наблюдается уже при выгорании 4-4,5 %, это вряд ли
удастся.
Кроме того, при испытаниях твэлов в БН-600 отсутствуют два
наиболее важных для реактора со свинцовым теплоносителем повреждающих фактора,
а именно: коррозионно-эрозионное воздействие свинца (включая локальную ЖМК и
деградацию механических свойств сталей) и наличие дистанционирующих решеток, а
соответственно и фретинг-износа оболочек. Испытания в натриевых реакторах позволяют
судить лишь о поведении СНУП топлива и его влиянии (крайне неблагоприятном, как
показано выше) на внутреннюю поверхность оболочки. Этих испытаний совершенно
недостаточно для обоснования работоспособности твэлов реакторов со свинцовым
теплоносителем.
Никаких прочностных расчетов оболочек твэлов в условиях
проектных аварий, с учетом полученных в испытаниях значений внутритвэльной
язвенной коррозии и науглероживания, в ПООБ [66] не представлено. Этого не
сделано даже для условий натриевого реактора.
Строго говоря, работоспособность твэлов со СНУП топливом не обоснована
не только для свинцового, но даже и для натриевого реактора.
Поэтому победный рапорт Е.О. Адамова: “За 5 лет мы создали
технологию производства плотного топлива для реактора, хотя нам говорили, что
мы не сможем этого даже за 30 лет сделать” [175], мягко говоря, преждевременен.
Сама по себе технология плотного нитридного топлива известна, как минимум, лет
50. Проблема в том, чтобы обосновать его работоспособность, чего до сих пор
никому не удалось сделать, в том числе и разработчикам БРЕСТа.
Экспериментальная петля, сооруженная для реакторных
испытаний в твэлов потоке свинцового теплоносителя на БОР-60, потерпела быструю
аварию (2003 г) и восстановлению не подлежит. Аналогичная участь постигла и
экспериментальную петлю со свинцово-висмутовым теплоносителем на том же
реакторе, которую соорудили в 2006 г для подтверждения работоспособности твэлов
РУ СВБР-100. Таким образом, полноценных реакторных испытаний твэлов РУ
БРЕСТ-ОД-300 нет и не предвидится, а все имеющиеся испытания на натриевых
реакторах и коррозионные испытания на свинцовых стендах не внушают на этот счет
ни малейшего оптимизма.
Ни внутритвэльная
язвенная коррозия глубиной до 170 мкм, ни внешняя локальная ЖМК под напряжением
‒ до 180 мкм за ~1,5 месяца, ни деградация механических свойств оболочки под
воздействием СНУП топлива и свинца в расчетном обосновании твэла РУ
БРЕСТ-ОД-300 в режимах нормальной эксплуатации и при нарушении нормальной
эксплуатации не учитывались.
Прочностные расчеты
твэлов выполнены при отсутствии достоверных статистически обоснованных данных о
механических свойствах конструкционных материалов в свинце, с использованием
неаттестованных для свинцового теплоносителя кодов ДРАКОН и КОРАТ.
Все теплофизические
расчеты активной зоны сделаны с помощью неаттестованной для свинца программы
ПУЧОК-ЖМТ при полном отсутствии экспериментальных данных по теплообмену в пучке
твэлов в свинцовом теплоносителе.
По существу, у твэлов РУ БРЕСТ-ОД-300 нет ни
экспериментального, ни расчетного подтверждения работоспособности не только до проектного
выгорания 9 %т.а. (или 6 % для первого этапа), но даже и до 4,5 %.
4.3. Основные
элементы реакторной установки
4.3.1. Тепловыделяющие сборки
(ТВС)
На свинцовых стендах ГНЦ РФ-ФЭИ были проведены
кратковременные (<3000 ч) коррозионные испытания укороченных 6-стержневых
макетов ТВС РУ БРЕСТ-ОД-300. В общей сложности было испытано 8 макетов. О
результатах этих испытаний в ПООБ [66] (п. 4.2.1.1.2.2.3) сообщается следующее: «фреттинг-износ в месте контакта твэлов и
дистанционирующих решеток за время испытаний (до 3000 часов) не превышает 0,5
мкм», «целостность конструкции сохранена
во всех испытаниях, коррозионные повреждения
имеют умеренный характер, значительного утонения оболочек и дистанционирующих
решеток не наблюдается», что свидетельствует о принципиальной работоспособности
выбранного способа дистанционирования.
Фактические результаты испытаний далеко не
соответствуют приведенным выше утверждениям. Например, как отмечено в разделе 4.2.2.1 Экспертного заключения [131],
после 2320 часов испытаний при температуре 630 °С в базовом кислородном режиме
на поверхности оболочек имитаторов твэлов в области контакта с ДР обнаружены
участки оксидного слоя толщиной до 22 мкм и коррозионные очаги глубиной до 16
мкм, на вершине пуклевок дистанционирующих решеток в местах контакта с
имитаторами твэлов обнаружены язвы
глубиной до 50 мкм (1/4 толщины пуклевки), микротрещины, а также локальные зоны
аномального окисления с оксидным слоем толщиной до 18 мкм и межкристаллитной
коррозией глубиной до 10 мкм. На ребрах ДР с внутренней стороны обнаружены
многочисленные язвы глубиной до 40 мкм. Подобные повреждения отнюдь не носят
«умеренного характера» (не более 18 мкм за 6 лет, как это принято в ПООБ [66]),
особенно с учетом того, что испытания проводились в облегченных по сравнению с
реальной эксплуатацией условиях без механических и термомеханических нагрузок,
термоциклирования, с пониженной вибрационной нагрузкой, а их длительность в ~20
раз меньше заявляемого ресурса ТВС.
В испытаниях с допустимыми в эксплуатационных
пределах отклонениями кислородного режима (0,8-3,0)∙10-5% в течение 2570 ч при температуре 630 ºС
обнаружено:
- на
поверхности оболочки имитаторов твэлов в местах контакта с пуклевками ДР
коррозионные язвы глубиной до 50 мкм, заполненные сложными оксидами, под
которыми располагается зона с межкристаллитной коррозией глубиной до 16 мкм;
- на пуклевках в местах контакта с имитаторами
твэлов также наблюдаются коррозионные язвы с межкристаллитной коррозией
глубиной до 70 мкм (>1/3 толщины пуклевки).
Как видно из представленных выше данных, реальные результаты
кратковременных стендовых испытаний ненагруженных макетов ТВС показывают, что в
базовом кислородном режиме величина фреттинг-износа в ~30 раз, а при допустимом
отклонении от базового режима в 100 раз!
больше указанного в ПООБ [66] значения – 0,5 мкм.
Особое внимание следует обратить внимание на
износ пуклевок, который при регламентном кислородном режиме достигает через
1000 часов 25 мкм, а через 2343 часа (чуть больше 3-х месяцев) ‒ 50 мкм, что
составляет 25 % их толщины. При такой скорости износа нельзя рассчитывать на
сохранение жесткости и работоспособности ТВС не только на ее полный ресурс, но
даже на 1 год в условиях нормальной эксплуатации. Сквозная коррозия пуклевок приведет к потере
жесткости ТВС и к массовому повреждению оболочек твэлов.
Ни в одном из проведенных испытаний восьми
макетов ТВС не удалось обосновать работоспособность ТВС ЦЗ и ПЗ в течение
заявляемого ресурса (~40000 часов). Понимая это, специалисты ГНЦ РФ-ФЭИ во всех
своих отчетах указали, что проведенные коррозионные испытания макетов ТВС
«могут быть использованы для усовершенствования конструктивных элементов
дистанционирования твэлов и технологии их изготовления». Другими словами, до
настоящего времени удовлетворительного решения задачи дистанционирования твэлов
в ТВС РУ БРЕСТ-ОД-300 еще не найдено, его только предстоит найти, если
это вообще возможно, что после 6 лет поисков и испытаний далеко не очевидно. На
сегодняшний день работоспособной конструкции ТВС РУ БРЕСТ-ОД-300 не существует.
О наличии значительного фреттинг-износа оболочек твэлов в местах
контакта с дистанционирующими решетками свидетельствуют также зарубежные
исследования [146]. Поэтому вывод «о
принципиальной работоспособности выбранного способа дистанционирования» явно
преждевременен.
От редакции. Предлагаем вниманию читателей
авторский вариант четвертой главы книги «Реакторы с тяжелым
жидкометаллическим теплоносителем. История трагедии и фарса».