Нитридное топливо с жидкой прослойкой: «Росатом» делает твэл для реакторов будущего
Учёные нашли способ «смягчить» поведение мощного топлива, и если всё подтвердится в реальных условиях, реакторы будущего станут надёжнее и эффективнее.
Что именно сделано
Тепловыделяющий элемент, или твэл, — это стержни с таблетками топлива, которые помещают в активную зону реактора. В новом образце под стальной оболочкой оказался тонкий слой жидкого металла, чаще всего натрия. Вокруг — таблетки урана и плутония, связанные с азотом. Эта конструкция получила обозначение ОС-5 и уже прошла приемку на уровне топливного дивизиона.
Зачем нужен жидкометаллический слой
При нагреве топливо расширяется, и если это расширение передаётся целиком на оболочку, то растёт риск её повреждения. Жидкий металл в зазоре между таблеткой и оболочкой действует как буфер.
Он лучше проводит тепло и частично «смягчает» распухание топлива — значит, граница между топливом и оболочкой будет холоднее и менее напряжённой. В результате повышается вероятность сохранить герметичность твэла в сложных режимах и можно планировать более глубокое выгорание топлива.
Роль нитридного топлива и что оно даёт
Нитридное топливо ценят за высокую плотность вещества и хорошую теплопроводность — оно позволяет получить больше энергии на единицу объёма, чем традиционные оксиды. Это критично для «быстрых» реакторов, где стремятся к максимальному использованию делящихся материалов и к замкнутому топливному циклу.
Но у нитридов есть и свои нюансы: требования к технологии изготовления и к поведению в экстремальных режимах. Комбинация нитридного состава и жидкометаллического подслоя призвана сохранить преимущества и сгладить недостатки.
Роль цифровых моделей
До изготовления сборки проводились масштабные расчёты: термальные, механические и нейтронные модели. Цифровые симуляции помогают понять, как поведёт себя топливо при нагреве и облучении, и сократить число дорогостоящих экспериментов. На их основе выбрали толщину подслоя, состав топлива и материалы оболочки — большая инженерная работа в связке с современными вычислениями.
Испытания в реальных реакторных условиях
Ключевые ответы появятся после реакторных испытаний и постреакторных исследований облучённых образцов.
Планируется загрузка опытных твэлов в тестовый реактор и длительный мониторинг их поведения. Только по результатам таких проверок примут решение о серийном применении в реакторах типа БРЕСТ и других быстрых проектах.
В результате отрасль получит топливо с более высоким рабочим ресурсом и лучшей эксплуатационной надёжностью. Придётся реже менять загрузку, получается меньше отходов на единицу выработанной энергии и больше экономической отдачи от реактора.
