Б.И. Нигматулин, В.А. Пивоваров, Институт проблем энергетики, г. Москва, e-mail: nb@geotar.ru  

Настоящей публикацией мы продолжаем обсуждение результатов экспертизы предварительного отчета по обоснованию безопасности (ПООБ) РУ БРЕСТ-ОД-300 со свинцовым теплоносителем (СТ), начатое в статье [1] от 22/05/2023.

Инициаторы и идеологи «новой технологической платформы» на базе «естественно безопасных» свинцовоохлаждаемых реакторов типа БРЕСТ исходили из предположения, что «разработка такого реактора может быть основана на технологии и материалах, знаниях и опыте, накопленных по быстрым реакторам и реакторам, охлаждаемым тяжелым жидким металлом    Pb-Bi, подобным свинцу. Поэтому он может быть создан в ограниченные сроки (10—12 лет) и стать основой развития крупномасштабной ядерной энергетики» [2, с. 327].  Приступая к проектированию БРЕСТ-ОД-300, они были твердо уверены, что в их распоряжении уже есть и надежные конструкционные материалы, и отработанная технология свинцового теплоносителя. Как показала экспертиза, это было глубоким и фатальным для данного проекта заблуждением. 

Обоснование безопасности РУ БРЕСТ-ОД-300 выполнено, исходя из следующих постулатов. 

1. В течение первых 1—2 тыс. часов испытаний в свинцовом теплоносителе 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 ее толщина возрастает до нескольких мкм и в дальнейшем существенно не меняется. 

2. При длительности 54 000 ч (6 лет) утонение металла вследствие коррозионных повреждений может составлять не более 18 мкм. 

3. В теплофизических расчетах учитывается термическое сопротивление окисной пленки на внешней поверхности оболочек твэл и ПЭЛ, толщина которой приблизительно составляет 10 мкм. 

4. Формирование защитной оксидной пленки при пассивации стали ЭП823-Ш исключает образование очагов жидкометаллической коррозии. 

Как будет показано ниже, ни один из этих постулатов не только не подтверждается, но и прямо опровергается всеми фактическими результатами коррозионных испытаний сталей в свинце.

 

Сплошная кислородная коррозия  

Прежде всего отметим, что никакого «прочного диффузионно-непроницаемого барьера» не существует в принципе. По данным российских и зарубежных (например, [3]) исследователей оксидная пленка имеет двухслойную структуру (см. рис. 1). Нижний слой — сложная хромистая шпинель, верхний — магнетит. Само существование магнетитного слоя свидетельствует о диффузионной проницаемости оксидной пленки. 

По данным испытаний ненагруженных образцов сталей ЭП823-Ш и ЭП302-Ш, основных конструкционных материалов РУ БРЕСТ-ОД-300, выполненных в ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей», толщина оксидной пленки на поверхности стали в свинце с регламентным содержанием кислорода отнюдь не стабилизируется на нескольких микрометрах, а растет по экспоненциальному закону. По прогнозу технологов АО «ГНЦ РФ-ФЭИ», выполненном на основе упомянутых выше испытаний, толщина оксидной пленки при температуре      540 °С и концентрации кислорода в свинце С_О = 4∙10–6 %_мас. за 40 тыс. часов на стали ЭП823-Ш достигнет 107 мкм — на порядок больше того, что учитывается в теплофизических расчетах твэлов РУ БРЕСТ-ОД-300 при оценке контактного термического сопротивления.

Рис. 1. Структура оксидной пленки на поверхности мартенситной стали Т91 (9 % Cr) после 3600 часов испытаний в насыщенном кислородом сплаве Pb-Bi при температуре 470 °С [3]

 

Приведенная выше оценка сплошной кислородной коррозии получена в испытаниях ненагруженных образцов, а, как показали испытания того же ЦНИИ КМ «Прометей», скорость окисления под нагрузкой многократно возрастает (рис. 2). Так при напряжении 100 МПа скорость окисления стали ЭП302 в свинце с регламентным содержанием кислорода возрастает в 2 раза, а при напряжении 230 МПа — в 10 раз, по сравнению со скоростью окисления ненагруженных образцов. Скорость окисления хромистой стали 10Х9НСМФБ под напряжением 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 свинца от 0 до 0,6 м/с скорость окисления ферритно-мартенситной стали ЭП823 возрастает в 2,5 раза. Скорость окисления пластин ротора и статора подшипника из стали ЭП302-Ш, вращающегося со скоростью 500 об/мин, оказалась на два порядка выше, чем у образцов этой стали в потоке свинцового теплоносителя со скоростью 2 м/с [4, c. 177].

 

Зависимость сплошной кислородной коррозии сталей в свинце от уровня напряжений и скорости омывающего потока в ПООБ РУ БРЕСТ-ОД-300 совершенно не учитывается ни в прочностных, ни в теплофизических расчетах. Эта зависимость не учтена и при определении требуемой производительности массообменных аппаратов, подающих кислород в свинцовый теплоноситель (СТ) и фильтров, улавливающих продукты коррозии.   Систематические данные о кислородной коррозии нагруженных образцов сталей для различных уровней напряжения, температур и скоростей омывающего свинца отсутствуют.

 

Как видно из представленных выше данных, сплошная кислородная коррозия конструкционных материалов разработчиками РУ БРЕСТ-ОД-300 сильно недооценивается, но это еще не самая большая проблема данного проекта.

Рис. 2. 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 [4]

 

Жидкометаллическая коррозия 

Основную угрозу для работоспособности и безопасности реактора со свин-цовым охлаждением представляет жидкометаллическая коррозия (ЖМК) — растворение компонентов сталей в свинцовом теплоносителе. Именно ЖМК является главной проблемой проекта РУ БРЕСТ-ОД-300. 

Результаты коррозионных испытаний ненагруженного макета ТВС РУ БРЕСТ-ОД-300 в потоке свинцового теплоносителя с содержанием кислорода С_О = (10^–8 ÷ 10^–7) %_мас при температуре 450—650 °С в течение 300—1000 часов, выполненных в ГНЦ РФ ФЭИ, показали, что глубина коррозионных повреждений ферритно-мартенситной (ф/м) стали ЭП823-Ш достигает 1200—1300 мкм (рис. 3), что соответствует скорости ЖМК 10—11 мм/год (20 толщин оболочки твэла в год!) [4, c. 179].

Рис. 3. Поперечные сечения образцов стали ЭП823 после коррозионных испытаний в свинце на границе хвостовик — конусная часть образца, Т = 600 °С, t = 300 часов [4]

Для защиты от ЖМК в проекте РУ БРЕСТ-ОД-300, как и полвека назад для реакторов со свинцово-висмутовым теплоносителем (СВТ), 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, вопреки принятому разработчиками постулату о том, что формирование защитной оксидной пленки исключает образование очагов жидкометаллической коррозии, фактические результаты испытаний, выполненных в ЦНИИ КМ «Прометей» показали, что уже при напряжении 70—100 МПа на стали ЭП83-Ш происходит растрескивание защитной оксидной пленки (рис. 4), проникновение свинца в металл и, как следствие, глубокая локальная ЖМК [4, c. 180].

Рис. 4. Растрескивание оксидной пленки на ферритно-мартенситной стали 10Х9НСМФБ после испытаний на длительную прочность в свинце при напря-жении 69 МПа (а), то же при большем увеличении (б) [4]

В испытаниях на длительную прочность образцов стали ЭП823-Ш в свинцовом теплоносителе с регламентным содержанием кислорода при напряжении 160 МПа и температуре 590 °С (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» [5, 6]. Локальная ЖМК стали ЭП823 глубиной 180 мкм (36 % толщины оболочки твэла) за 1,5 месяца — это в 10 раз больше, чем принятое в ПООБ максимальное утонение этой стали за 6 лет (не более 18 мкм). На рис. 5 показано проникновение жидкого свинца в сталь ЭП302 на глубину до 180 мкм при Т = 550 °С и напряжении 230 МПа [4, c. 181]. 

Механические нагрузки, это не единственная причина повреждения защитной оксидной пленки. Эрозия, фреттинг, термоциклирование, неизбежные в процессе эксплуатации, также способствуют ее разрушению. 

Например, в испытаниях ненагруженных макетов ПЭЛ в свинце в режиме термоциклирования общей длительностью 2600 часов, выполненных в ГНЦ РФ-ФЭИ, было обнаружено, что «в оксидном слое часто наблюдаются трещины, в результате образования которых происходит выкрашивание фрагментов оксидного слоя с образованием язв в этих местах». Утонение стали ЭП823-Ш в данном испытании за 3,5 месяца достигло 50 мкм — почти в 3 раза больше, чем 18 мкм за 6 лет, учитываемых разработчиком [4, c. 180].

Рис. 5. Проникновение свинца в сталь ЭП302, локальная ЖМЕ [4] 

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 этим согласны и специалисты АО «НИКИЭТ»: «концентрация кислорода в свинце на уровне С_О ≈ (5 ∙ 10^–7 ÷ 5 ∙ 10^–6) %_мас не обеспечивает защиту сталей от воздействия свинца при наличии застойных зон и напряжений» [4, c. 195]. Это неудивительно, если учесть, что скорость ЖМК на 2-3 порядка выше, чем скорость кислородной коррозии при регламентной концентрации кислорода в СТ. Больше того, как установили специалисты ГНЦ РФ-ФЭИ, окисление поверхности трещин с образованием в них оксида оказывает расклинивающее действие на трещину, что способствует ее дальней­шему росту. 

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 (повреждением) оксидной пленки и быстрой локальной ЖМК, невзирая 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 сталей, контактирующих со свинцом, — данных о скорости роста количества и глубины язв в эксплуатационных условиях. Нет никаких данных и о межкристаллитной коррозии этих сталей в свинце, неоднократно отмечавшейся в коррозионных испытаниях. Без такой информации невозможно достоверно прогнозировать глубину коррозионных повреждений и, соответственно, ресурс основных элементов РУ БРЕСТ-ОД-300. 

Неэффективность коррозионной защиты сталей от ЖМК с помощью поверхностных оксидных пленок, неизбежность глубокой локальной ЖМК в условиях эксплуатации — это объективная реальность, твердо установленные 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 (IAEA-TECDOC-1912) в мае 2020 г.: 

«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 окси-дов, внутреннего окисления и растворения стали в теплоносителе» [7, с. 195]. 

«Жидкометаллическое охрупчивание ферритно-мартенситных сталей исключило их рассмотрение в качестве конструкционного материала в реакторах с жидкометаллическим теплоносителем на основе свинца» [8, c. 176]. 

«Локальная коррозия является одной из ключевых проблем, которая еще далеко не изучена» [8, c. 180]. 

Выводы европейских исследователей целиком совпадают с выводами экспертизы НТЦ ЯРБ. Процитированные выше три тезиса — это, по существу, приговор проекту РУ БРЕСТ-ОД-300, в котором как раз и применяется антикоррозионная защита с помощью поверхностных оксидных пленок, активная зона изготовлена из ф/м стали ЭП823-Ш и полностью игнорируется локальная жидкометаллическая коррозия.

 

Деградация механических свойств сталей в свинце 

Помимо глубоких коррозионных повреждений, длительное воздействие СТ приводит к существенной деградации механических свойств сталей. 

В таблице 1 приведены результаты сравнительных испытаний образцов стали ЭП823-Ш на длительную прочность в свинце и на воздухе, выполненных в ЦНИИ КМ «Прометей» [4, с. 184]. 

Таблица 1. Время до разрушения в испытаниях на длительную прочность стали ЭП823-Ш в свинце и на воздухе

Напряжение, МПА	Время до разрушения, ч			Отношение времени до разру-шения образца для различных сред (воздух/свинец)
	Воздух		Свинец
Т = 550 °С
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		39,0

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. 

Вывод о неэффективности коррозионной защиты в тяжелом жидкометаллическом теплоносителе с помощью оксидных пленок не является новостью. Еще 40 лет назад в учебнике В.В. Герасимова и А.С. Монахова «Материалы ядерной техники» 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 СТ и СВТ, 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 в ПООБ, ограничиваясь сплошной кислородной коррозией, к тому же многократно заниженной.

 

Технология теплоносителя 

Технология свинцового теплоносителя РУ БРЕСТ-ОД-300 ориентирована на реализацию принятой в проекте концепции антикоррозионной защиты с помощью поверхностных оксидных пленок.  В описании ее разработчика, ГНЦ РФ-ФЭИ эта технология выглядела чрезвычайно простой и эффективной: «Для надежной работы необходимо измерять и поддерживать всего один параметр — концентрацию растворенного в свинцово-висмутовом теплоносителе кислорода, что может осуществляться в автоматическом режиме» [9, с. 291]. 

На практике реализация этой технологии потребовала целого ряда устройств и систем, таких как массобменные аппараты (МА), обеспечивающие подачу кислорода в СТ, фильтры для непрерывного удаления нерастворенных примесей, система регулярной водородной регенерации (восстановления окислов) 10 000 тонн свинца. По утверждению разработчиков, регламент для свинцового теплоносителя был разработан на основе предшествующего опыта работы с СВТ и эксплуатации экспериментальных свинцовых стендов. 

Прежде всего отметим, что упомянутые выше свинцовые стенды и по характеру циркуляции (петлевые установки), и по объему свинца (0,07—0,3 м³) очень далеки от РУ БРЕСТ-ОД-300 с его интегральной компоновкой и объемом теплоносителя 900 м³. Потребность в кислороде для поддержания  регламентной концентрации, а, соответственно, производительность МА и фильтров определены по результатам коррозионных испытаний ненагруженных образцов сталей и поэтому существенно занижены (как показано на рис. 2,  скорость кислородной коррозии, а значит и потребность в кислороде и под нагрузкой  многократно возрастает). 

Отсюда и сверхоптимистичные оценки. Например, для интегральной РУ БРЕСТ-ОД-300 предусмотрены фильтры общей производительностью 1500 м³/ч, тогда как для петлевой ЯЭУ АПЛ с объемом СВТ ~6 м³ (в 150 раз меньше!) понадобился и был изготовлен фильтр производительностью 900 м³/ч (рис. 6). 

Рис. 6. Распределение уловленных шлаков из теплоносителя Pb-Bi в трехступенчатом сеточном фильтре с зоной предварительного отстоя (а и б) и вид финишной сетки (в)

Проектная длительность ежегодной водородной регенерации 900 м³ свинца РУ БРЕСТ-ОД-300 составляет 44,4 часа, в то время как реальная водородная очистка  свинцовых стендов СМ-2, ЦУ-1М в ГНЦ РФ-ФЭИ с объемом теплоносителя 70 л, проводимая через каждые 1000-1500 часов работы стенда, занимает от 70 до 100 часов.

Вряд ли такое обоснование технологии свинцового теплоносителя можно признать убедительным, но это еще полбеды. 

Беда в том, что сама идея защищаться от жидкометаллической коррозии с помощью коррозии кислородной не работает. Поэтому даже если эта технология будет отработана на крупномасштабных стендах и идеально реализована на практике, это не спасет положения. Окисление конструкционных материалов не остановится, главной и неустранимой проблемой по-прежнему останется локальная ЖМК, не исчезнет и жидкометаллическое охрупчивание ф/м стали ЭП823-Ш — основного конструкционного материала активной зоны.

 

Заключение 

Как видно из представленных выше данных, проект РУ БРЕСТ-ОД-300 основан на совершенно ложных представлениях о коррозионной стойкости конструкционных материалах в свинцовом теплоносителе и неоправданных надеждах на то, что разработанная полвека назад технология теплоносителя способна обеспечить многолетнюю надежную защиту контактирующих со свинцом сталей. 

Основной, фундаментальной (природной) проблемой «естественно безопасного» реактора БРСТ-ОД-300 является растворение конструкционных сталей в свинце при неэффективности антикоррозионной защиты с помощью поверхностных оксидных пленок. Локальная ЖМК и глубокая деградация механических свойств этих сталей в свинцовом теплоносителе в реальных условиях эксплуатации (термомеханические нагрузки, фреттинг-износ, эрозия, теромоциклирование) делает невозможным существование РУ БРЕСТ-ОД-300 в принципе точно так же, как законы термодинамики исключают возможность существования вечного двигателя.0П 

Подтверждение этому ‒ история 13 «одноразовых» реакторов с СВТ для АПЛ, ни один из которых не проработал больше одной кампании, а 5 были потеряны в результате тяжелых аварий с переоблучением и гибелью людей. Фактическая частота тяжелых аварий этих реакторов: 1 авария на 1 эфф. реакторо-год, что на 5 порядков больше целевого ориентира безопасности АЭС, установленного в НП-001-15 (п. 1.2.17). 

Максимальная, достигнутая при эксплуатации длительность кампании таких реакторов не превышала 4000 эф. часов (чуть больше эф. полугода). По свидетельству одного из их создателей, академика Ф.М. Митенкова, «длительно реакторные установки эксплуатировались при пониженном (15—20 %) уровне мощности с выходом на номинальный уровень на считанные часы при испытаниях» [10, c. 87]. 

Очевидно, что и 14-й реактор с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем постигнет та же участь, если, конечно, у Росатома найдутся лишние 100 млрд. руб. и он все-таки будет достроен.

В книге представлены не только основные проблемы реакторов с ТЖМТ и РУ БРЕСТ-ОД-300, но и процесс 5-летней экспертизы этого проекта в Ростехнадзоре, со всеми его нарушениями, позволившими, в конце концов, выдать лицензию на сооружение  неработоспособного блока, несмотря на сотни и сотни отмеченных экспертами несоответствий требованиям действующих ФНП и культуры безопасности.

 

Список литературы 

1.       Нигматулин Б.И., Пивоваров В.А. О концепции безопасности РУ БРЕСТ-ОД-300. ‒ На сайте ProAtom, 22/05/2023, http://proatom.ru

2.       Орлов В.В., Аврорин Е.Н., Адамов Е.О. и др. Нетрадиционная концепция АЭС с естественной безопасностью ‒ Атомная энергия, 1992, т. 72, вып. 4, с. 317—329.

3.       Feron D., Couroau J.-L. Corrosion of Structural Materials bу Liquid Metals Used in Fusion, Fission and Spallation. ‒ IAEA workshop «Challenges for Coolants in Fast Neutron Spectrum Systems». IAEA-TECDOC-1912. Vienne, May 2020, p. 167—175.

4.       Нигматулин Б.И., В.А. Пивоваров. Реактор с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем. История трагедии и фарса. ‒ М.: «Литтерра», 2023.

5.       Каштанов А.Д., Лаврухин В.С., Марков В.Г. Коррозионно-механическая и др. прочность конструкционных материалов в контакте с жидким теплоносителем ‒ Атомная энергия, 2004, т. 97, вып. 2, с. 103—108.   

6.         Бозин С.Н., Родченков Б.С., Каштанов А.Д. и др. Исследование конструкционных материалов для реактора со свинцовым теплоносителем ‒ Атомная энергия, 2012, т. 113, вып. 5, с. 257—262.   

7.       Angiolini M., Agostini P., Bassini S. et al.  Barriers and Coating for Corrosion Mitigation Materials Issues in Heavy Liquid Metal Cooled Systems. ‒ IAEA workshop «Challenges for Coolants in Fast Neutron Spectrum Systems». IAEA-TECDOC-1912. Vienne, May 2020, p. 195—203.

8.       Weisenburger A., Müller G.  Corrosion in Pb-alloy Cooled Nuclear Reactors and Advanced Mitigation Measures. ‒ IAEA workshop «Challenges for Coolants in Fast Neutron Spectrum Systems». IAEA-TECDOC-1912. Vienne, May 2020, p. 176—180.

9.       Тошинский Г.И., Комлев О.Г., Мартынов П.Н. и др. СВБР для региональной энергетики ‒ Атомная энергия, 2011, т. 111, вып. 5, с. 290—293.

10.     Митенков Ф.М., Антоновский Г.М., Беляев А.А. и др. Опыт создания и эксплуатации оборудования РУ ОК-550. ‒ Матер. Междун. конф. «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях (ТЖМТ-98)». Обнинск, 1999. Т. 1. С. 84—89.