О работе над созданием толерантного, то есть устойчивого к авариям, топлива для атомных электростанций «ЭПР» рассказал победитель трека «Наука» и суперфиналист четвертого сезона конкурса управленцев «Лидеры России» — старший научный сотрудник Научно-технического центра по ядерной и радиационной безопасности (НТЦ ЯРБ), доцент Московского энергетического института (МЭИ), к.т.н. Арслан Забиров.

Появилось понимание: мы можем!

— Арслан, сегодня у многих на слуху зеленая генерация, но ваша разработка связана не с ней, а с традиционной энергетикой. Чем вас заинтересовала именно атомная генерация?

— Отрасль атомной энергетики является сплавом наукоемких технологий. Понимание того что процессы, происходящие на ядерных масштабах, можно использовать для получения огромного количества энергии, в буквальном смысле завораживает. Тем более что наша страна имеет богатую историю использования атомной энергии, во многих направлениях мы являемся первопроходцами и первооткрывателями.

Зеленая же энергетика, под которой обычно подразумевают солнечную и ветряную генерацию энергии, представляет собой прерывистую генерацию, то есть выработка электричества зависит от не подконтрольных нам явлений — силы ветра, облачности, смены дня и ночи. Использование прерывистой генерации делает энергетику страны неустойчивой. Атомная энергетика лишена таких недостатков, и при этом она не загрязняет атмосферу вредными выбросами.

— Расскажите подробнее о вашем проекте. В чем его суть?

— Проект научной группы, которую я возглавляю, направлен на изучение теплообмена на поверхности толерантных тепловыделяющих элементов (твэлов) — это главный элемент активной зоны реактора, содержащий ядерное топливо, и один из первых барьеров на пути выхода радиоактивных продуктов. Идея появилась, как это часто бывает, после прочтения научных статей в высокорейтинговых международных журналах, где описывались эксперименты зарубежных коллег по закалке образцов из толерантных материалов.

Сразу появилось твердое понимание того, что мы можем сделать лучше, так как у нас к этому моменту сформировался солидный задел, как экспериментальный, так и теоретический. Ну и, конечно, было понимание таких исследований — без теплофизического обоснования эффективности и безопасности использования толерантного топлива никто его в атомный реактор не допустит.

Дело в том, что в АЭС с водно-водяными энергетическими реакторами, таких в России большинство, используются твэлы, оболочка которых выполнена из циркониевых сплавов, а ядерное топливо представляет собой диоксид урана. У циркониевых оболочек есть свои преимущества, но при возникновении внештатных ситуаций начинают проявляться их недостатки. После катастрофы на АЭС в Японии в 2011 году во многих мировых научных центрах начались широкомасштабные исследования, направленные на предотвращение пароциркониевой реакции и улучшение экономических показателей топливных элементов.

Ядерное топливо, создаваемое с использованием новых материалов, должно обеспечить устойчивость к аварийным условиям, в том числе к высокотемпературному окислению оболочек твэлов.

Мы начали с подробного изучения всех работ на тему толерантного топлива, погрузились в проблему с головой. После этого видоизменили экспериментальный стенд, изготовили рабочие участки и начали сами эксперименты. Помогали члены научной группы кафедры инженерной теплофизики МЭИ. Большую финансовую поддержку нам оказывают Российский научный фонд и Российский фонд фундаментальных исследований.

— В чем уникальность предлагаемого вами решения? Есть ли аналоги в РФ или в мире?

— Мы предлагаем не конкретный продукт. Мы выполняем научные исследования, направленные на изучение влияния теплофизических свойств толерантных материалов на теплообмен, сопровождающийся фазовым переходом теплоносителя (кризисы кипения, поставарийный залив).

Результатом наших исследований является формула, позволяющая предсказать температуры смены режимов кипения, отводимые тепловые потоки и коэффициенты теплоотдачи. Расчетных уравнений, основанных на строгой теории, ни в России, ни в мире нет. Это объясняется большой сложностью разработки физической модели очень сложного явления. А нам это удалось, прежде всего, благодаря теоретическим изысканиям нашего научного руководителя, классика теплообмена Виктора Владимировича Ягова.

Подошли к проблеме комплексно

— Что уже сделано в рамках вашего проекта, на какой он стадии?

— В рамках нашего проекта выполнено огромное количество экспериментальных работ, направленных на исследование теплообмена при интенсивном охлаждении цилиндрических образцов применительно к толерантному топливу для АЭС. Мы подошли к этой проблеме комплексно. Для оценки влияния всех возможных факторов использовали сильно отличающиеся по своим свойствам охлаждающие жидкости: воду, этанол, водо-спиртовые смеси разных концентраций, перфторгексан, жидкие азот и аргон. В качестве охлаждаемых тел использовали как непосредственно материалы толерантного топлива: хромовые покрытия, хромникелевые сплавы, сплав фехраль, карбид кремния, так и другие материалы: никель, медь, цирконий, нержавеющую сталь, дюраль.

Кроме того, были выполнены экспериментальные исследования на образцах с разной модификацией поверхности: искусственная шероховатость, игольчатые микроструктуры, низкотеплопроводные и высокотеплопроводные покрытия различной толщины и микрогеометрии. Такой набор сильно отличающихся по теплофизическим свойствам жидкостей и охлаждаемых тел позволил разработать физическую модель, учитывающую эти свойства. В рамках проекта мы тесно взаимодействуем со специалистами из МГТУ им. Баумана, Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, Объединенным институтом высоких температур РАН, Томского политехнического университета.

— Какой эффект реализация данного проекта будет иметь для атомной отрасли России?

— Это позволит быстрее перейти к использованию толерантного топлива, обосновать его надежность с точки зрения теплофизики. Ну, а такой переход сделает использование атомной энергии еще более безопасным, повысит конкурентные преимущества «Росатома» на мировом энергетическом рынке.

Главное — соблюдать правильные пропорции

— Арслан, знают ли о вашем проекте российские энергокомпании? Может быть, есть договоренность с ними по запуску пилотного проекта?

— Дело в том, что наши проекты носят фундаментальный, а не прикладной характер. К сожалению, у нас не хватает сил, а иногда и специфических навыков для налаживания мостов с российскими энергокомпаниями. Хотя, безусловно, наши исследования должны представлять интерес для «Росатома», в частности для топливной компании ТВЭЛ. К примеру, если бы нам удалось наладить взаимодействие с «Росатомом», то можно было бы попробовать реализовать эксперименты на «больших» модельных твэлах, что в наших условиях самостоятельными силами и ресурсами невозможно.

— Что сегодня нужно молодому ученому, чтобы реализовать свой проект?

— Сегодня, как и во все времена, для реализации проекта нужно, прежде всего, финансирование. В экспериментальной физике все стоит денег, и немалых. Создание рабочих образцов, модернизация стенда, использование современных средств автоматизации и измерений — все требует финансовых вложений.

— Каким вы видите будущее атомной генерации в России и в мире? Смогут ли ее вытеснить возобновляемые источники?

— Я не могу представить будущее энергетики без атомной генерации. При этом, по моему мнению, не нужно противопоставлять атомную и возобновляемую энергетику.

Например, сейчас в мире начинает активно развиваться водородная генерация. Получать водород на АЭС экономически выгодно. Атомная и зеленая энергетика должны сосуществовать вместе. Главное — соблюдать правильные пропорции, прерывистой генерации не должно быть слишком много. А потом, глядишь, и термоядерная энергетика придет в наш мир и решит все проблемы, являясь, по сути, неисчерпаемым источником энергии.

— Вы сейчас занимаетесь одной разработкой или еще какими-то другими?

— В данный момент мы также занимаемся проектом, поддержанным Российским научным фондом «Комплексное исследование теплообмена при охлаждении высокотемпературных тел в жидкости». В рамках этого проекта изучаются способы интенсификации охлаждения тел, что позволяет отводить тепловые потоки, сравнимые с тепловыми потоками на поверхности Солнца.